En 1887, Heinrich Rudolf Hertz descubrió un fenómeno que más tarde se denominó efecto fotoeléctrico. Definió su esencia de la siguiente manera:
Si la luz de una lámpara de mercurio se dirige hacia el sodio metálico, los electrones saldrán volando de su superficie.
La formulación moderna del efecto fotoeléctrico es diferente:
Cuando los cuantos de luz inciden sobre una sustancia y tras su posterior absorción, las partículas cargadas se liberarán total o parcialmente en la sustancia.
Es decir, cuando se absorben fotones de luz se observa lo siguiente:
- Emisión de electrones de la materia.
- Cambio en la conductividad eléctrica de una sustancia.
- La aparición de foto-EMF en la interfaz de medios con diferentes conductividades (por ejemplo, metal-semiconductor)
Actualmente, existen tres tipos de efecto fotoeléctrico:
- Fotoefecto interno. Consiste en cambiar la conductividad de los semiconductores. Se utiliza en fotorresistores, que se utilizan en dosímetros de rayos X y radiación ultravioleta, y también en dispositivos médicos (oxímetro) y alarmas contra incendios.
- Fotoefecto de válvula. Consiste en la aparición de foto-EMF en la interfaz de sustancias con diferentes tipos conductividad, como resultado de la separación de portadores de carga eléctrica por un campo eléctrico. Se utiliza en funciona con energía solar, en fotocélulas de selenio y sensores que registran los niveles de luz.
- Fotoefecto externo. Como se mencionó anteriormente, este es el proceso en el que los electrones abandonan la materia en el vacío bajo la influencia de cuantos de radiación electromagnética.
leyes efecto fotoeléctrico externo.
Fueron instalados por Philip Lenard y Alexander Grigorievich Stoletov a principios del siglo XX. Estos científicos midieron el número de electrones expulsados y su velocidad en función de la intensidad y frecuencia de la radiación aplicada.
Primera ley (ley de Stoletov):
La fuerza de la fotocorriente de saturación es directamente proporcional al flujo luminoso, es decir Radiación incidente sobre la materia.
Formulación teórica: Cuando el voltaje entre los electrodos es cero, la fotocorriente no es cero. Esto se explica por el hecho de que después de abandonar el metal, los electrones tienen energía cinética. En presencia de voltaje entre el ánodo y el cátodo, la intensidad de la fotocorriente aumenta al aumentar el voltaje y, a un cierto valor de voltaje, la corriente alcanza su valor máximo (fotocorriente de saturación). Esto significa que todos los electrones emitidos por el cátodo cada segundo bajo la influencia de la radiación electromagnética participan en la creación de corriente. Cuando se invierte la polaridad, la corriente cae y pronto se vuelve cero. Aquí el electrón trabaja contra el campo retardador debido a la energía cinética. A medida que aumenta la intensidad de la radiación (aumenta el número de fotones), aumenta el número de cuantos de energía absorbidos por el metal y, por tanto, aumenta el número de electrones emitidos. Esto significa que cuanto mayor es el flujo luminoso, mayor es la fotocorriente de saturación.
Si nos ~ F, Si nos = k F
k - coeficiente de proporcionalidad. La sensibilidad depende de la naturaleza del metal. La sensibilidad de un metal al efecto fotoeléctrico aumenta al aumentar la frecuencia de la luz (a medida que disminuye la longitud de onda).
Esta redacción de la ley es técnica. Es válido para dispositivos fotovoltaicos de vacío.
El número de electrones emitidos es directamente proporcional a la densidad del flujo incidente con su composición espectral constante.
Segunda Ley (Ley de Einstein):
La energía cinética inicial máxima de un fotoelectrón es proporcional a la frecuencia del flujo radiante incidente y no depende de su intensidad.
E kē = => ~ hυ
Tercera ley (ley de la “frontera roja”):
Para cada sustancia existe una frecuencia mínima o longitud de onda máxima, más allá de la cual no hay efecto fotoeléctrico.
Esta frecuencia (longitud de onda) se denomina "borde rojo" del efecto fotoeléctrico.
Así, establece las condiciones del efecto fotoeléctrico para de esta sustancia dependiendo de la función de trabajo del electrón de la sustancia y de la energía de los fotones incidentes.
Si la energía del fotón es menor que la función de trabajo del electrón de la sustancia, entonces no hay efecto fotoeléctrico. Si la energía del fotón excede la función de trabajo, entonces su exceso después de la absorción del fotón pasa a la energía cinética inicial del fotoelectrón.
Utilizándolo para explicar las leyes del efecto fotoeléctrico.
La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico es un caso especial de la ley de conservación y transformación de la energía. Basó su teoría en las leyes de la aún naciente física cuántica.
Einstein formuló tres proposiciones:
- Cuando se exponen a los electrones de una sustancia, los fotones incidentes se absorben por completo.
- Un fotón interactúa con un solo electrón.
- Un fotón absorbido contribuye a la liberación de un solo fotoelectrón con un cierto E kē.
La energía del fotón se gasta en la función de trabajo (Aout) del electrón de la sustancia y en su energía cinética inicial, que será máxima si el electrón abandona la superficie de la sustancia.
E kē = hυ - Una salida
Cuanto mayor es la frecuencia de la radiación incidente, mayor es la energía de los fotones y más (menos la función de trabajo) queda para la energía cinética inicial de los fotoelectrones.
Cuanto más intensa es la radiación incidente, más fotones entran en el flujo luminoso y más electrones pueden escapar de la sustancia y participar en la creación de fotocorriente. Por eso la fuerza de la fotocorriente de saturación es proporcional al flujo luminoso (I f us ~ F). Sin embargo, la energía cinética inicial no depende de la intensidad, porque Un electrón absorbe la energía de un solo fotón.
Temas del codificador del Examen Estatal Unificado: Hipótesis de M. Planck sobre los cuantos, efecto fotoeléctrico, experimentos de A.G. Stoletov, ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico.
efecto foto- Se trata de la eliminación de electrones de una sustancia por la luz incidente. El efecto fotoeléctrico fue descubierto por Heinrich Hertz en 1887 durante sus famosos experimentos sobre la emisión de ondas electromagnéticas.
Recordemos que Hertz utilizó un explosor especial (vibrador Hertz): una varilla cortada por la mitad con un par de bolas de metal en los extremos del corte. Se aplicó alto voltaje a la varilla y una chispa saltó entre las bolas. Entonces, Hertz descubrió que cuando una bola cargada negativamente se irradiaba con luz ultravioleta, la chispa era más fácil de generar.
Hertz, sin embargo, estaba absorto en el estudio de las ondas electromagnéticas y no tuvo en cuenta este hecho. Un año después, el físico ruso Alexander Grigorievich Stoletov descubrió de forma independiente el efecto fotoeléctrico. Los cuidadosos estudios experimentales realizados por Stoletov durante dos años permitieron formular las leyes básicas del efecto fotoeléctrico.
Los experimentos de Stoletov.
En sus famosos experimentos, Stoletov utilizó una fotocélula. diseño propio (Célula fotoeléctrica Se llama cualquier dispositivo que permita observar el efecto fotoeléctrico. Su diagrama se muestra en la Fig. 1 .
Arroz. 1. Fotocélula de Stoletov
En un matraz de vidrio, del que se ha bombeado aire (para no interferir con el flujo de electrones), se insertan dos electrodos: un cátodo de zinc y un ánodo. Se aplica un voltaje al cátodo y al ánodo, cuyo valor se puede cambiar usando un potenciómetro y medir con un voltímetro.
Ahora se aplica “menos” al cátodo y “más” al ánodo, pero se puede hacer al revés (y este cambio de signo es una parte esencial de los experimentos de Stoletov). Al voltaje en los electrodos se le asigna el signo que se aplica al ánodo (por lo tanto, el voltaje aplicado a los electrodos a menudo se llama voltaje del ánodo). En este caso, por ejemplo, la tensión es positiva.
El cátodo se ilumina con rayos ultravioleta a través de una ventana de cuarzo especial hecha en el matraz (el vidrio absorbe la radiación ultravioleta, pero el cuarzo la transmite). Radiación ultravioleta elimina electrones del cátodo, que son acelerados por el voltaje y vuelan hacia el ánodo. Un miliamperímetro conectado a los registros del circuito. electricidad. Esta corriente se llama corriente fotoeléctrica, y los electrones eliminados que lo crean se llaman fotoelectrones.
En los experimentos de Stoletov, se pueden variar de forma independiente tres cantidades: el voltaje del ánodo, la intensidad de la luz y su frecuencia.
Dependencia de la fotocorriente del voltaje.
Al cambiar la magnitud y el signo del voltaje del ánodo, se puede rastrear cómo cambia la fotocorriente. La gráfica de esta relación, llamada características de la fotocélula, mostrado en la Fig. 2.
Arroz. 2. Características de la fotocélula
Analicemos el curso de la curva resultante. En primer lugar, observamos que los electrones salen volando del cátodo con diferentes velocidades y en diferentes direcciones; Denotemos la velocidad máxima que tienen los fotoelectrones en condiciones experimentales.
Si el voltaje es negativo y grande en valor absoluto, entonces no hay fotocorriente. Es fácil de entender: campo eléctrico, que actúa sobre los electrones del cátodo y del ánodo, se frena (en el cátodo “más”, en el ánodo “menos”) y es tan grande que los electrones no pueden llegar al ánodo. La reserva inicial de energía cinética no es suficiente: los electrones pierden su velocidad al acercarse al ánodo y regresan al cátodo. La energía cinética máxima de los electrones emitidos resulta ser menor que el módulo de trabajo de campo cuando un electrón se mueve del cátodo al ánodo:
Aquí kg es la masa del electrón, C es su carga.
Poco a poco iremos aumentando el voltaje, es decir. moverse de izquierda a derecha a lo largo del eje de valores negativos distantes.
Al principio todavía no hay corriente, pero el punto de inversión del electrón se acerca cada vez más al ánodo. Finalmente, cuando se alcanza el voltaje, lo que se llama voltaje de mantenimiento, los electrones retroceden en el momento en que llegan al ánodo (en otras palabras, los electrones llegan al ánodo con velocidad cero). Tenemos:
(1)
De este modo, la magnitud del voltaje de retardo permite determinar la energía cinética máxima de los fotoelectrones.
Cuando se excede ligeramente el voltaje de retardo, aparece una fotocorriente débil. Está formado por electrones emitidos con máxima energía cinética casi exactamente a lo largo del eje de la bombilla (es decir, casi perpendicular al cátodo): ahora los electrones tienen suficiente energía para alcanzar el ánodo con una velocidad distinta de cero y cerrar el circuito. Los electrones restantes, que tienen velocidades más bajas o se alejan del ánodo, no llegan al ánodo.
A medida que aumenta el voltaje, aumenta la fotocorriente. El ánodo alcanza gran cantidad electrones que escapan del cátodo en ángulos cada vez mayores con respecto al eje de la bombilla. ¡Tenga en cuenta que la fotocorriente está presente con voltaje cero!
Cuando el voltaje alcanza valores positivos, la fotocorriente continúa aumentando. Esto es comprensible: el campo eléctrico ahora acelera los electrones, por lo que un número cada vez mayor de ellos tiene la oportunidad de terminar en el ánodo. Sin embargo, no todos los fotoelectrones llegan todavía al ánodo. Por ejemplo, un electrón emitido por velocidad máxima perpendicular al eje del matraz (es decir, a lo largo del cátodo), aunque el campo girará en la dirección deseada, pero no tanto como para llegar al ánodo.
Finalmente, para suficientemente grande valores positivos La corriente de voltaje alcanza su valor límite, llamado corriente de saturación, y deja de aumentar más.
¿Por qué? El hecho es que el voltaje que acelera los electrones se vuelve tan alto que el ánodo captura todos los electrones expulsados del cátodo, en cualquier dirección y a cualquier velocidad a la que comiencen a moverse. En consecuencia, la fotocorriente simplemente no tiene más posibilidades de aumentar: el recurso, por así decirlo, se ha agotado.
Leyes del efecto fotoeléctrico.
La cantidad de corriente de saturación es esencialmente la cantidad de electrones eliminados del cátodo en un segundo. Cambiaremos la intensidad de la luz sin cambiar la frecuencia. La experiencia demuestra que la corriente de saturación varía en proporción a la intensidad de la luz.
Primera ley del efecto fotoeléctrico. El número de electrones eliminados del cátodo por segundo es proporcional a la intensidad de la radiación que incide sobre el cátodo (a su frecuencia constante).
No hay nada inesperado en esto: cuanta más energía transporta la radiación, más notable es el resultado observado. Los misterios comienzan más allá.
Es decir, estudiaremos la dependencia de la energía cinética máxima de los fotoelectrones de la frecuencia e intensidad de la luz incidente. Esto no es difícil de hacer: después de todo, en virtud de la fórmula (1), encontrar la energía cinética máxima de los electrones eliminados en realidad se reduce a medir el voltaje de retardo.
Primero, cambiamos la frecuencia de radiación a una intensidad fija. El resultado es un gráfico como este (Fig. 3):
Arroz. 3. Dependencia de la energía de los fotoelectrones de la frecuencia de la luz.
Como podemos ver, existe una determinada frecuencia llamada borde rojo del efecto de la foto, separando dos áreas fundamentalmente diferentes del gráfico. Si , entonces no hay efecto fotoeléctrico.
Si clase="tex" alt="\nu > \nu_0"> !}, entonces la energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta linealmente con la frecuencia.
Ahora, por el contrario, fijamos la frecuencia y cambiamos la intensidad de la luz. Si es al mismo tiempo, entonces el efecto fotoeléctrico no se produce, ¡sin importar la intensidad! No menos hecho asombroso También se encuentra cuando clase="tex" alt="\nu > \nu_0"> !}: La energía cinética máxima de los fotoelectrones no depende de la intensidad de la luz.
Todos estos hechos se reflejan en la segunda y tercera leyes del efecto fotoeléctrico.
Segunda ley del efecto fotoeléctrico. La energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta linealmente con la frecuencia de la luz y no depende de su intensidad..
Tercera ley del efecto fotoeléctrico. Para cada sustancia existe un límite rojo del efecto fotoeléctrico: la frecuencia de luz más baja a la que todavía es posible el efecto fotoeléctrico. Cuando el efecto fotoeléctrico no se observa con ninguna intensidad de luz..
Dificultades de la explicación clásica del efecto fotoeléctrico.
¿Cómo podría explicarse el efecto fotoeléctrico desde el punto de vista de la electrodinámica clásica y los conceptos ondulatorios de la luz?
Se sabe que para extraer un electrón de una sustancia es necesario impartirle cierta energía, llamada función del trabajo electrón. En el caso de un electrón libre en un metal, este es el trabajo de superar el campo de iones positivos de la red cristalina, que mantiene al electrón en el límite del metal. En el caso de un electrón ubicado en un átomo, la función de trabajo es el trabajo realizado para romper el enlace entre el electrón y el núcleo.
En el campo eléctrico alterno de una onda luminosa, el electrón comienza a oscilar.
Y si la energía de vibración excede la función de trabajo, entonces el electrón será arrancado de la sustancia.
Sin embargo, en el marco de tales ideas es imposible comprender la segunda y tercera leyes del efecto fotoeléctrico.. De hecho, ¿por qué la energía cinética de los electrones expulsados no depende de la intensidad de la radiación? Después de todo, cuanto mayor sea la intensidad, mayor será la intensidad del campo eléctrico en la onda electromagnética, mayor será la fuerza que actúa sobre el electrón, mayor será la energía de sus oscilaciones y mayor será la energía cinética que el electrón saldrá del cátodo. ¿Lógico? Lógico. Pero el experimento demuestra lo contrario.
A continuación, ¿de dónde viene el borde rojo del efecto fotoeléctrico? ¿Qué pasa con las bajas frecuencias? Parecería que a medida que aumenta la intensidad de la luz, también aumenta la fuerza que actúa sobre los electrones; por lo tanto, incluso a una frecuencia de luz baja, tarde o temprano un electrón será arrancado de la sustancia, cuando la intensidad alcance suficiente de gran importancia. Sin embargo, el límite rojo prohíbe estrictamente la emisión de electrones a bajas frecuencias de radiación incidente.
Es más, no está claro inercia efecto fotoeléctrico Es decir, cuando el cátodo se ilumina con radiación de intensidad arbitrariamente baja (con una frecuencia superior al límite rojo), comienza el efecto fotoeléctrico. instantáneamente- en el momento en que se enciende la iluminación. Mientras tanto, parecería que los electrones necesitan algo de tiempo para “soltar” los enlaces que los mantienen en la sustancia, y este tiempo de “soltación” debería ser mayor cuanto más débil sea la luz incidente. La analogía es la siguiente: cuanto más débil empujes un swing, más tiempo llevará alcanzar una amplitud determinada.
Una vez más, parece lógico, ¡pero la experiencia es el único criterio de verdad en física! - contradice estos argumentos.
Pronto principios del siglo XIX Ya en el siglo XX se produjo un estancamiento en la física: la electrodinámica, que predecía la existencia de ondas electromagnéticas y funciona excelentemente en el rango de las ondas de radio, se negó a explicar el fenómeno del efecto fotoeléctrico.
La salida a este impasse la encontró Albert Einstein en 1905. Encontró una ecuación simple que describe el efecto fotoeléctrico. Las tres leyes del efecto fotoeléctrico resultaron ser consecuencias de la ecuación de Einstein.
El principal mérito de Einstein fue su rechazo a los intentos de interpretar el efecto fotoeléctrico desde el punto de vista de la electrodinámica clásica. Einstein se basó en una audaz hipótesis sobre los cuantos, expresada por Max Planck cinco años antes.
La hipótesis de Planck sobre los cuantos
La electrodinámica clásica se negó a funcionar no sólo en el campo del efecto fotoeléctrico. También fracasó gravemente cuando intentaron utilizarlo para describir la radiación de un cuerpo calentado (la llamada radiación térmica).
La esencia del problema era que el modelo electrodinámico simple y natural de radiación térmica conducía a una conclusión sin sentido: cualquier cuerpo calentado, que irradia continuamente, debe perder gradualmente toda su energía y enfriarse hasta el cero absoluto. Como sabemos muy bien, no se observa nada parecido.
Al resolver este problema, Max Planck expresó su famosa hipótesis.
Hipótesis cuántica. La energía electromagnética se emite y absorbe no de forma continua, sino en porciones separadas e indivisibles: cuantos. La energía cuántica es proporcional a la frecuencia de la radiación.:
(2)
La relación (2) se llama la fórmula de planck, y el coeficiente de proporcionalidad es constante de Planck.
La aceptación de esta hipótesis permitió a Planck construir una teoría de la radiación térmica que concordaba excelentemente con el experimento. Habiendo conocido por experiencia los espectros de radiación térmica, Planck calculó el valor de su constante:
J·s. (3)
El éxito de la hipótesis de Planck sugirió que las leyes de la física clásica no se aplicaban a partículas pequeñas como átomos o electrones, ni a los fenómenos de interacción entre la luz y la materia. Esta idea fue confirmada por el fenómeno del efecto fotoeléctrico.
La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico.
La hipótesis de Planck hablaba de discreción. radiación Y adquisiciones ondas electromagnéticas, es decir, sobre la naturaleza intermitente de la interacción de la luz con la materia. Al mismo tiempo, Planck creía que extensión La luz es un proceso continuo que se produce en total conformidad con las leyes de la electrodinámica clásica.
Einstein fue aún más lejos: sugirió que La luz, en principio, tiene una estructura discontinua: no solo la emisión y la absorción, sino también la propagación de la luz se produce en porciones separadas: cuantos, que tienen energía..
Planck consideró su hipótesis sólo como un truco matemático y no se atrevió a refutar la electrodinámica en relación con el microcosmos. Quanta se convirtió en una realidad física gracias a Einstein.
Los cuantos de radiación electromagnética (en particular, los cuantos de luz) posteriormente se conocieron como fotones. Por tanto, la luz se compone de partículas especiales: fotones, que se mueven en el vacío a una velocidad de .
Cada fotón de luz monocromática que tiene una frecuencia transporta energía.
Los fotones pueden intercambiar energía y momento con partículas de materia (el momento de un fotón se analizará en la siguiente hoja); en este caso estamos hablando de colisión fotón y partícula. En particular, los fotones chocan con los electrones del metal del cátodo.
La absorción de luz es la absorción de fotones, es decir no elástico colisión de fotones con partículas (átomos, electrones). El fotón, absorbido al chocar con un electrón, le transfiere su energía. Como resultado, el electrón recibe energía cinética instantáneamente, y no gradualmente, y esto es lo que explica el efecto fotoeléctrico sin inercia.
La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico no es más que la ley de conservación de la energía. ¿A dónde va la energía del fotón? durante su colisión inelástica con un electrón? Se gasta en realizar la función de trabajo de extraer un electrón de una sustancia y darle energía cinética al electrón:
(4)
El término resulta ser máximo energía cinética de los fotoelectrones. ¿Por qué máximo? Esta pregunta requiere una pequeña aclaración.
Los electrones de un metal pueden estar libres o ligados. Los electrones libres “caminan” por todo el metal, mientras que los electrones ligados “se sientan” dentro de sus átomos. Además, el electrón puede ubicarse tanto cerca de la superficie del metal como en su profundidad.
Está claro que la energía cinética máxima de un fotoelectrón se obtendrá en el caso de que el fotón golpee un electrón libre en la capa superficial del metal; entonces la función de trabajo por sí sola es suficiente para eliminar el electrón.
En todos los demás casos, será necesario gastar energía adicional: arrancar un electrón ligado de un átomo o "arrastrar" un electrón profundo a la superficie.
Estos costos extra conducirá al hecho de que la energía cinética del electrón emitido será menor.
La ecuación (4), notable por su simplicidad y claridad física, contiene toda la teoría del efecto fotoeléctrico. Veamos cómo se explican las leyes del efecto fotoeléctrico desde el punto de vista de la ecuación de Einstein.
1. La cantidad de electrones eliminados es proporcional a la cantidad de fotones absorbidos. A medida que aumenta la intensidad de la luz, aumenta el número de fotones que inciden sobre el cátodo por segundo.
Por lo tanto, el número de fotones absorbidos y, en consecuencia, el número de electrones eliminados por segundo aumenta proporcionalmente.
2. Expresemos la energía cinética de la fórmula (4):
De hecho, la energía cinética de los electrones expulsados aumenta linealmente con la frecuencia y no depende de la intensidad de la luz.
La dependencia de la energía cinética de la frecuencia tiene la forma de una ecuación de una línea recta que pasa por el punto. Esto explica completamente el curso del gráfico de la Fig. 3.
3. Para que comience el efecto fotoeléctrico, la energía del fotón debe ser suficiente para al menos completar la función de trabajo: . La frecuencia más pequeña determinada por la igualdad.
este será el borde rojo del efecto fotoeléctrico. Como podemos ver, el límite rojo del efecto fotoeléctrico está determinado únicamente por la función de trabajo, es decir Depende únicamente de la sustancia de la superficie del cátodo irradiado.
Si , entonces no habrá efecto fotoeléctrico, no importa cuántos fotones caigan sobre el cátodo por segundo. Por tanto, la intensidad de la luz no importa; lo principal es si un fotón individual tiene suficiente energía para eliminar un electrón.
La ecuación de Einstein (4) permite encontrar experimentalmente la constante de Planck. Para hacer esto, primero es necesario determinar la frecuencia de radiación y la función de trabajo del material del cátodo, así como medir la energía cinética de los fotoelectrones.
Durante tales experimentos, se obtuvo un valor que coincide exactamente con (3). Esta coincidencia de los resultados de dos experimentos independientes, basados en los espectros de radiación térmica y la ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico, significó que se descubrieron "reglas del juego" completamente nuevas según las cuales se produce la interacción de la luz y la materia. En este ámbito, la física clásica, representada por la mecánica newtoniana y la electrodinámica maxwelliana, da paso a física cuántica- la teoría del micromundo, cuya construcción continúa hoy.
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Libros
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El fenómeno del efecto fotoeléctrico, descubierto en 1887 por Hertz y estudiado en detalle por A.G. Stoletov, consiste en que los metales (o semiconductores) emiten electrones cuando se exponen a la luz. Es imposible explicar el efecto fotoeléctrico basándose en la teoría ondulatoria de la luz. Sin embargo, la emisión de electrones se observa inmediatamente después de la iluminación del metal. Además, según la teoría ondulatoria, la energía E3 de los electrones emitidos por el metal debe ser proporcional a la intensidad de la luz incidente. Sin embargo, se encontró que Ee no depende de la intensidad de la luz, sino que depende de su frecuencia, aumentando al aumentar v; un aumento de intensidad sólo conduce a un aumento del número de electrones emitidos por el metal.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico implica la expulsión de electrones de una sustancia por la luz que incide sobre ella. Las principales características de este fenómeno son las siguientes. Un haz de luz que incide sobre la superficie de un metal libera electrones del metal, siempre que la frecuencia de la luz esté por encima de un cierto valor crítico, dependiendo del tipo de metal. El número de electrones expulsados por unidad de tiempo, con una composición espectral constante de la radiación, es proporcional al flujo de luz que incide sobre la superficie del metal.
| Características estáticas de un fotodiodo de germanio. |
El fenómeno del efecto fotoeléctrico también se puede utilizar en una unión pn a la que se aplica un voltaje inverso.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico se detecta iluminando una placa de zinc conectada a la varilla de un electrómetro.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico, descubierto en 1889 por A.G. Stoletov, consiste en que los metales (o semiconductores) emiten electrones cuando se exponen a la luz. Es imposible explicar el efecto fotoeléctrico basándose en la teoría ondulatoria de la luz. Sin embargo, la emisión de electrones se observa inmediatamente después de la iluminación del metal. Además, según la teoría ondulatoria, la energía Ea de los electrones emitidos por el metal debería ser proporcional a la intensidad de la luz incidente. Sin embargo, se encontró que Ee no depende de la intensidad de la luz, sino que depende de su frecuencia, aumentando al aumentar v; un aumento de intensidad sólo conduce a un aumento del número de electrones emitidos por el metal.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico, descubierto por A.G. Stoletov en 1888, consiste en que, bajo la influencia de la luz, se emiten electrones desde la superficie de varios cuerpos, como resultado de lo cual este cuerpo adquiere una carga. Además, este fenómeno se observa sólo si la energía del cuanto de luz mas trabajo, necesario para extraer un electrón de la superficie de una sustancia determinada e impartirle algo de energía cinética.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico es que los rayos de luz que inciden sobre cualquier cuerpo (independientemente de su naturaleza química y condición física), le quita electrones.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico fue descubierto por primera vez en 1819 por el químico ruso Grotthus.
El fenómeno del efecto fotoeléctrico fue observado por primera vez por Hertz en 1887. Hertz descubrió que irradiar la chispa con rayos ultravioleta facilita la descarga.
La esencia del efecto fotoeléctrico es que cuando se ilumina la superficie de metales o semiconductores, partículas de energía radiante penetran las capas superficiales del cuerpo iluminado e imparten energía adicional a sus electrones. Como resultado de esto, los electrones del cuerpo iluminado comienzan a moverse a altas velocidades y abandonan sus órbitas de movimiento normales. Este fenómeno de aceleración del movimiento de los electrones de un cuerpo iluminado bajo la influencia de la energía radiante se denomina efecto fotoeléctrico.
En el efecto fotoeléctrico, los electrones expulsados de la superficie del metal por radiación con una frecuencia de 2 a 104 Hz son completamente retardados por un campo de frenado con una diferencia de potencial de 7 V, y con una frecuencia de 4 - 101 Hz, con una diferencia de potencial. de 15V.
Efecto fotoeléctrico Fue descubierto en 1887 por el físico alemán G. Hertz y estudiado experimentalmente por A. G. Stoletov en 1888-1890. El estudio más completo del fenómeno del efecto fotoeléctrico lo llevó a cabo F. Lenard en 1900. En ese momento ya se había descubierto el electrón (1897, J. Thomson), y quedó claro que el efecto fotoeléctrico (o más precisamente, el fotoefecto externo) consiste en la expulsión de electrones de una sustancia bajo la influencia de la luz que incide sobre ella.
Esquema configuración experimental Para estudiar el efecto fotoeléctrico se muestra en la Fig. 5.2.1.
En los experimentos se utilizó una botella de vacío de vidrio con dos electrodos metálicos, cuya superficie se limpió a fondo. Se aplicó algo de voltaje a los electrodos. Ud., cuya polaridad se puede cambiar mediante una doble tecla. Uno de los electrodos (cátodo K) se iluminó a través de una ventana de cuarzo con luz monocromática de una determinada longitud de onda λ. Con un flujo luminoso constante, se tomó la dependencia de la intensidad de la fotocorriente. I del voltaje aplicado. En la Fig. 5.2.2 muestra curvas típicas de tal dependencia, obtenidas para dos valores de intensidad flujo luminoso, incidente en el cátodo.
Las curvas muestran que con voltajes positivos suficientemente grandes en el ánodo A, la fotocorriente alcanza la saturación, ya que todos los electrones expulsados del cátodo por la luz llegan al ánodo. Mediciones cuidadosas mostraron que la corriente de saturación I n es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente. Cuando el voltaje en el ánodo es negativo, el campo eléctrico entre el cátodo y el ánodo inhibe los electrones. Sólo aquellos electrones cuya energía cinética excede | UE|. Si el voltaje del ánodo es menor que - Ud. h, la fotocorriente se detiene. Medición Ud. h, podemos determinar la energía cinética máxima de los fotoelectrones:
Para sorpresa de los científicos, el valor Ud. h resultó ser independiente de la intensidad del flujo de luz incidente. Mediciones cuidadosas han demostrado que el potencial de bloqueo aumenta linealmente al aumentar la frecuencia ν de la luz (Fig. 5.2.3).
Numerosos experimentadores han establecido los siguientes principios básicos del efecto fotoeléctrico:
1. La energía cinética máxima de los fotoelectrones aumenta linealmente al aumentar la frecuencia de la luz ν y no depende de su intensidad.
2. Para cada sustancia existe un llamado borde rojo del efecto de la foto , es decir, la frecuencia más baja ν min a la que todavía es posible el efecto fotoeléctrico externo.
3. El número de fotoelectrones emitidos por la luz del cátodo en 1 s es directamente proporcional a la intensidad de la luz.
4. El efecto fotoeléctrico es prácticamente inercial; la fotocorriente se produce inmediatamente después del inicio de la iluminación del cátodo, siempre que la frecuencia de la luz ν > ν min.
Todas estas leyes del efecto fotoeléctrico contradecían fundamentalmente las ideas de la física clásica sobre la interacción de la luz con la materia. Según los conceptos ondulatorios, al interactuar con una onda de luz electromagnética, un electrón acumularía energía gradualmente y le tomaría una cantidad significativa de tiempo, dependiendo de la intensidad de la luz, para que el electrón acumulara suficiente energía para salir volando del cátodo. Como muestran los cálculos, este tiempo debe calcularse en minutos u horas. Sin embargo, la experiencia demuestra que los fotoelectrones aparecen inmediatamente después del inicio de la iluminación del cátodo. En este modelo también era imposible comprender la existencia del límite rojo del efecto fotoeléctrico. La teoría ondulatoria de la luz no podía explicar la independencia de la energía de los fotoelectrones de la intensidad del flujo luminoso y la proporcionalidad de la energía cinética máxima a la frecuencia de la luz.
De este modo, teoría electromagnética La luz no pudo explicar estos patrones.
La solución fue encontrada por A. Einstein en 1905. Einstein dio una explicación teórica de las leyes observadas del efecto fotoeléctrico basándose en la hipótesis de M. Planck de que la luz se emite y se absorbe en determinadas porciones, y la energía de cada una de ellas la porción está determinada por la fórmula mi = hν, donde h- Constante de Planck. Einstein dio el siguiente paso en el desarrollo de conceptos cuánticos. Concluyó que La luz tiene una estructura discontinua (discreta).. Una onda electromagnética consta de porciones separadas: cuantos., posteriormente nombrado fotones. Al interactuar con la materia, un fotón transfiere completamente toda su energía. hν un electrón. El electrón puede disipar parte de esta energía durante las colisiones con átomos de materia. Además, parte de la energía de los electrones se gasta en superar la barrera de potencial en la interfaz metal-vacío. Para hacer esto, el electrón debe hacer función de trabajo A , dependiendo de las propiedades del material del cátodo. La energía cinética máxima que puede tener un fotoelectrón emitido por el cátodo está determinada por la ley de conservación de la energía:
Esta fórmula se suele llamar La ecuación de Einstein para el efecto fotoeléctrico. .
Utilizando la ecuación de Einstein se pueden explicar todas las leyes del efecto fotoeléctrico externo. De la ecuación de Einstein se deduce dependencia lineal energía cinética máxima en frecuencia e independencia de la intensidad de la luz, la existencia de un límite rojo, el efecto fotoeléctrico sin inercia. Numero total Los fotoelectrones que abandonan la superficie del cátodo en 1 s deben ser proporcionales al número de fotones que inciden en la superficie durante el mismo tiempo. De esto se deduce que la corriente de saturación debe ser directamente proporcional a la intensidad del flujo luminoso.
Como se desprende de la ecuación de Einstein, la tangente del ángulo de inclinación de la línea recta que expresa la dependencia del potencial de bloqueo. Ud.з de la frecuencia ν (Fig. 5.2.3), igual a la relación de la constante de Planck h a la carga del electrón mi:
Esto nos permite determinar experimentalmente el valor de la constante de Planck. Estas mediciones fueron realizadas en 1914 por R. Millikan y coincidieron bastante con el valor encontrado por Planck. Estas mediciones también permitieron determinar la función de trabajo. A:
Dónde C- velocidad de la luz, λ cr - longitud de onda correspondiente al límite rojo del efecto fotoeléctrico. La mayoría de los metales tienen una función de trabajo. A son varios electronvoltios (1 eV = 1,602·10 -19 J). En física cuántica, el electrón voltio se utiliza a menudo como unidad de medida de energía. El valor de la constante de Planck, expresado en electronvoltios por segundo, es
Entre los metales, los elementos alcalinos tienen la función de trabajo más baja. Por ejemplo, sodio A= 1,9 eV, que corresponde al límite rojo del efecto fotoeléctrico λ cr ≈ 680 nm. Por lo tanto, los compuestos de metales alcalinos se utilizan para crear cátodos en fotocélulas , diseñado para grabar luz visible.
Entonces, las leyes del efecto fotoeléctrico indican que la luz, cuando se emite y se absorbe, se comporta como una corriente de partículas llamadas fotones o cuantos de luz .
La energía del fotón es
se deduce que el fotón tiene impulso
Así, la doctrina de la luz, después de haber completado una revolución que duró dos siglos, volvió nuevamente a las ideas de las partículas de luz: los corpúsculos.
Pero esto no fue un retorno mecánico a la teoría corpuscular de Newton. A principios del siglo XX quedó claro que la luz tiene una naturaleza dual. Cuando la luz se propaga aparecen sus propiedades ondulatorias (interferencia, difracción, polarización), y cuando interactúa con la materia aparecen sus propiedades corpusculares (efecto fotoeléctrico). Esta naturaleza dual de la luz se llama dualidad onda-partícula , del que habló Lomonosov. Posteriormente se descubrió la naturaleza dual de los electrones y otras partículas elementales. La física clásica no puede dar modelo visual combinaciones de propiedades ondulatorias y corpusculares de microobjetos. El movimiento de los microobjetos no se rige por las leyes de la mecánica clásica newtoniana, sino por las leyes de la mecánica cuántica. La teoría de la radiación del cuerpo negro desarrollada por M. Planck y Teoría cuántica El efecto fotoeléctrico de Einstein es la base de esta ciencia moderna.