V roku 1887 objavil Heinrich Rudolf Hertz jav, ktorý sa neskôr nazýval fotoelektrický efekt. Jeho podstatu definoval takto:
Ak je svetlo z ortuťovej výbojky nasmerované na kov sodíka, elektróny vyletia z jeho povrchu.
Moderná formulácia fotoelektrického efektu je odlišná:
Keď svetelné kvantá dopadnú na látku a pri ich následnej absorpcii, nabité častice sa v látke čiastočne alebo úplne uvoľnia.
Inými slovami, keď sú svetelné fotóny absorbované, pozorujeme nasledovné:
- Emisia elektrónov z hmoty
- Zmena elektrickej vodivosti látky
- Vzhľad foto-EMF na rozhraní médií s rôznou vodivosťou (napríklad kov-polovodič)
V súčasnosti existujú tri typy fotoelektrického efektu:
- Vnútorný fotoefekt. Spočíva v zmene vodivosti polovodičov. Používa sa vo fotorezistoroch, ktoré sa používajú v röntgenových a ultrafialových dozimetroch, a tiež sa používa v lekárskych prístrojoch (oxymeter) a požiarnych hlásičoch.
- Fotoefekt ventilu. Spočíva vo výskyte foto-EMF na rozhraní látok s rôzne typy vodivosť, ako výsledok oddelenia nosičov elektrického náboja elektrickým poľom. Používa sa v solárne poháňané, v selénových fotobunkách a senzoroch, ktoré zaznamenávajú úrovne osvetlenia.
- Vonkajší fotoefekt. Ako už bolo spomenuté, ide o proces, pri ktorom elektróny opúšťajú látku do vákua pod vplyvom kvánt elektromagnetického žiarenia.
zákonov vonkajší fotoelektrický efekt.
Inštalovali ich Philip Lenard a Alexander Grigorievich Stoletov na prelome 19. a 20. storočia. Títo vedci merali počet vyvrhnutých elektrónov a ich rýchlosť ako funkciu intenzity a frekvencie aplikovaného žiarenia.
Prvý zákon (Stoletov zákon):
Sila saturačného fotoprúdu je priamo úmerná svetelnému toku, t.j. dopadajúce žiarenie na hmotu.
Teoretická formulácia: Keď je napätie medzi elektródami nulové, fotoprúd nie je nulový. Vysvetľuje to skutočnosť, že po opustení kovu majú elektróny kinetickú energiu. Ak je medzi anódou a katódou napätie, intenzita fotoprúdu rastie so zvyšujúcim sa napätím a pri určitej hodnote napätia prúd dosiahne svoju maximálnu hodnotu (saturačný fotoprúd). To znamená, že všetky elektróny emitované katódou každú sekundu pod vplyvom elektromagnetického žiarenia sa podieľajú na tvorbe prúdu. Pri obrátenej polarite prúd klesne a čoskoro sa stane nulovým. Tu elektrón pôsobí proti retardačnému poľu v dôsledku kinetickej energie. So zvyšujúcou sa intenzitou žiarenia (zvyšuje sa počet fotónov) sa zvyšuje počet energetických kvánt absorbovaných kovom, a preto sa zvyšuje počet emitovaných elektrónov. To znamená, že čím väčší je svetelný tok, tým väčší je saturačný fotoprúd.
I f us ~ F, I f us = k F
k - koeficient proporcionality. Citlivosť závisí od povahy kovu. Citlivosť kovu na fotoelektrický efekt sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou svetla (so znižovaním vlnovej dĺžky).
Toto znenie zákona je technické. Platí pre vákuové fotovoltaické zariadenia.
Počet emitovaných elektrónov je priamo úmerný hustote dopadajúceho toku pri jeho konštantnom spektrálnom zložení.
Druhý zákon (Einsteinov zákon):
Maximálna počiatočná kinetická energia fotoelektrónu je úmerná frekvencii dopadajúceho žiarivého toku a nezávisí od jeho intenzity.
E kē = => ~ hυ
Tretí zákon (zákon „červenej hranice“):
Pre každú látku existuje minimálna frekvencia alebo maximálna vlnová dĺžka, za ktorou nedochádza k fotoelektrickému javu.
Táto frekvencia (vlnová dĺžka) sa nazýva „červený okraj“ fotoelektrického javu.
Stanovuje teda podmienky fotoelektrického javu pre tejto látky v závislosti od pracovnej funkcie elektrónu z látky a od energie dopadajúcich fotónov.
Ak je energia fotónu menšia ako pracovná funkcia elektrónu z látky, nedochádza k fotoelektrickému javu. Ak energia fotónu prekročí pracovnú funkciu, potom jej prebytok po absorpcii fotónu prejde na počiatočnú kinetickú energiu fotoelektrónu.
Používa sa na vysvetlenie zákonov fotoelektrického javu.
Einsteinova rovnica pre fotoelektrický jav je špeciálnym prípadom zákona zachovania a transformácie energie. Svoju teóriu založil na zákonitostiach ešte len rodiacej sa kvantovej fyziky.
Einstein sformuloval tri návrhy:
- Pri vystavení elektrónom látky sú dopadajúce fotóny úplne absorbované.
- Jeden fotón interaguje iba s jedným elektrónom.
- Jeden absorbovaný fotón prispieva k uvoľneniu iba jedného fotoelektrónu s určitým E kē.
Energia fotónu sa vynakladá na pracovnú funkciu (Aout) elektrónu z látky a na jeho počiatočnú kinetickú energiu, ktorá bude maximálna, ak elektrón opustí povrch látky.
E kē = hυ - výstup A
Čím vyššia je frekvencia dopadajúceho žiarenia, tým väčšia je energia fotónov a tým viac (mínus pracovná funkcia) zostáva na počiatočnú kinetickú energiu fotoelektrónov.
Čím intenzívnejšie je dopadajúce žiarenie, tým viac fotónov vstupuje do svetelného toku a tým viac elektrónov môže z látky uniknúť a podieľať sa na tvorbe fotoprúdu. Preto je sila saturačného fotoprúdu úmerná svetelnému toku (I f us ~ F). Počiatočná kinetická energia však nezávisí od intenzity, pretože Jeden elektrón pohltí energiu iba jedného fotónu.
Témy kodifikátora jednotnej štátnej skúšky: Hypotéza M. Plancka o kvantách, fotoelektrický jav, experimenty A.G. Stoletova, Einsteinova rovnica pre fotoelektrický jav.
Fotografický efekt- Ide o vyradenie elektrónov z látky dopadajúcim svetlom. Fenomén fotoelektrického javu objavil Heinrich Hertz v roku 1887 počas svojich slávnych experimentov s emisiou elektromagnetických vĺn.
Pripomeňme, že Hertz používal špeciálne iskrisko (Hertz vibrátor) - tyč rozrezanú na polovicu s párom kovových guľôčok na koncoch rezu. Na tyč bolo privedené vysoké napätie a medzi guľôčkami preskočila iskra. Hertz teda zistil, že keď bola záporne nabitá guľa ožiarená ultrafialovým svetlom, iskra sa ľahšie zapálila.
Hertz bol však pohltený štúdiom elektromagnetických vĺn a túto skutočnosť nebral do úvahy. O rok neskôr bol fotoelektrický efekt nezávisle objavený ruským fyzikom Alexandrom Grigorievičom Stoletovom. Starostlivé experimentálne štúdie, ktoré Stoletov vykonával dva roky, umožnili formulovať základné zákony fotoelektrického javu.
Stoletovove experimenty
Vo svojich slávnych experimentoch Stoletov používal fotobunku vlastný dizajn (Fotobunka Každé zariadenie, ktoré umožňuje pozorovať fotoelektrický jav, sa nazýva. Jeho schéma je znázornená na obr. 1.
Ryža. 1. Stoletov fotobunka
Do sklenenej banky, z ktorej bol odčerpaný vzduch (aby nerušil prúdenie elektrónov), sú vložené dve elektródy: zinková katóda a anóda. Na katódu a anódu je privedené napätie, ktorého hodnotu je možné meniť pomocou potenciometra a merať voltmetrom.
Teraz sa „mínus“ aplikuje na katódu a „plus“ sa aplikuje na anódu, ale dá sa to urobiť aj naopak (a táto zmena znamienka je podstatnou súčasťou Stoletovových experimentov). Napätiu na elektródach je priradené znamienko, ktoré sa aplikuje na anódu (preto sa napätie aplikované na elektródy často nazýva anódové napätie). V tomto prípade je napríklad kladné napätie.
Katóda je osvetlená ultrafialovými lúčmi cez špeciálne kremenné okienko vyrobené v banke (sklo absorbuje ultrafialové žiarenie, ale kremeň ho prepúšťa). Ultrafialové žiarenie vyrazí z katódy elektróny, ktoré sa urýchľujú napätím a letia na anódu. Miliampérmeter pripojený k obvodovým registrom elektrický prúd. Tento prúd sa nazýva fotoprúd, a vyradené elektróny, ktoré ho vytvárajú, sa nazývajú fotoelektróny.
V Stoletovových experimentoch možno nezávisle meniť tri veličiny: anódové napätie, intenzitu svetla a jeho frekvenciu.
Závislosť fotoprúdu od napätia
Zmenou veľkosti a znamienka anódového napätia môžete sledovať, ako sa mení fotoprúd. Graf tohto vzťahu, tzv vlastnosti fotobunky, znázornené na obr. 2.
Ryža. 2. Charakteristika fotobunky
Poďme diskutovať o priebehu výslednej krivky. Najprv si všimneme, že elektróny vyletujú z katódy s rôzne rýchlosti a v rôznych smeroch; Označme maximálnu rýchlosť, ktorú majú fotoelektróny v experimentálnych podmienkach.
Ak je napätie záporné a veľké v absolútnej hodnote, potom neexistuje žiadny fotoprúd. Je ľahké pochopiť: elektrické pole, pôsobiaci na elektróny z katódy a anódy, brzdí (na katóde „plus“, na anóde „mínus“) a je taký veľký, že elektróny nie sú schopné dosiahnuť anódu. Počiatočná dodávka kinetickej energie nestačí - elektróny strácajú rýchlosť pri priblížení k anóde a vracajú sa späť ku katóde. Maximálna kinetická energia emitovaných elektrónov sa ukáže byť menšia ako modul práce poľa, keď sa elektrón pohybuje z katódy na anódu:
Tu je kg hmotnosť elektrónu, C je jeho náboj.
Postupne budeme zvyšovať napätie, t.j. pohyb zľava doprava pozdĺž osi vzdialených záporných hodnôt.
Najprv stále nie je prúd, ale bod obratu elektrónov sa približuje k anóde. Nakoniec, keď sa dosiahne napätie, ktoré je tzv prídržné napätie, elektróny sa otočia späť v momente, keď dosiahnu anódu (inými slovami, elektróny sa dostanú k anóde s nulovou rýchlosťou). Máme:
(1)
teda veľkosť retardačného napätia umožňuje určiť maximálnu kinetickú energiu fotoelektrónov.
Keď je oneskorené napätie mierne prekročené, objaví sa slabý fotoprúd. Tvoria ho elektróny emitované s maximálnou kinetickou energiou takmer presne pozdĺž osi banky (t.j. takmer kolmo na katódu): teraz majú elektróny dostatok tejto energie na to, aby sa dostali k anóde nenulovou rýchlosťou a uzavreli obvod. Zvyšné elektróny, ktoré majú nižšiu rýchlosť alebo odletia od anódy, sa k anóde nedostanú.
So zvyšujúcim sa napätím sa zvyšuje fotoprúd. Anóda dosiahne viac elektróny unikajúce z katódy v čoraz väčších uhloch k osi banky. Upozorňujeme, že fotoprúd je prítomný pri nulovom napätí!
Keď napätie dosiahne kladné hodnoty, fotoprúd sa ďalej zvyšuje. Je to pochopiteľné: elektrické pole teraz urýchľuje elektróny, takže čoraz väčší počet z nich má šancu skončiť na anóde. Nie všetky fotoelektróny však ešte dosiahnu anódu. Napríklad elektrón emitovaný z maximálna rýchlosť kolmo na os banky (t.j. pozdĺž katódy), pole sa síce natočí požadovaným smerom, ale nie natoľko, aby sa dostalo k anóde.
Nakoniec pre dostatočne veľké kladné hodnoty napäťový prúd dosiahne svoje limitná hodnota, volal saturačný prúd a prestane sa ďalej zvyšovať.
prečo? Faktom je, že napätie urýchľujúce elektróny je také vysoké, že anóda zachytí všetky elektróny vyrazené z katódy - v akomkoľvek smere a akýmikoľvek rýchlosťami, ktoré sa začnú pohybovať. V dôsledku toho fotoprúd jednoducho nemá žiadne ďalšie príležitosti na zvýšenie - zdroj sa takpovediac vyčerpal.
Zákony fotoelektrického javu
Množstvo saturačného prúdu je v podstate počet elektrónov vyrazených z katódy za jednu sekundu. Budeme meniť intenzitu svetla bez zmeny frekvencie. Skúsenosti ukazujú, že saturačný prúd sa mení úmerne k intenzite svetla.
Prvý zákon fotoelektrického javu. Počet elektrónov vyrazených z katódy za sekundu je úmerný intenzite žiarenia dopadajúceho na katódu (pri jej konštantnej frekvencii).
Nie je v tom nič neočakávané: čím viac energie nesie žiarenie, tým zreteľnejší je pozorovaný výsledok. Záhady začínajú ďalej.
Konkrétne budeme študovať závislosť maximálnej kinetickej energie fotoelektrónov od frekvencie a intenzity dopadajúceho svetla. Nie je to ťažké urobiť: napokon, na základe vzorca (1), zistenie maximálnej kinetickej energie vyradených elektrónov v skutočnosti spočíva v meraní spomaľovacieho napätia.
Najprv zmeníme frekvenciu žiarenia s pevnou intenzitou. Výsledkom je takýto graf (obr. 3):
Ryža. 3. Závislosť energie fotoelektrónu od frekvencie svetla
Ako vidíme, existuje určitá frekvencia tzv červený okraj s fotografickým efektom, ktorá oddeľuje dve zásadne odlišné oblasti grafu. Ak , potom nedochádza k fotoelektrickému efektu.
Ak class="tex" alt="(!JAZYK:\nu > \nu_0"> !}, potom maximálna kinetická energia fotoelektrónov rastie lineárne s frekvenciou.
Teraz, naopak, zafixujeme frekvenciu a zmeníme intenzitu svetla. Ak v rovnakom čase, potom sa fotoelektrický efekt nevyskytuje, bez ohľadu na intenzitu! Nie menej úžasný fakt sa zistí aj kedy class="tex" alt="(!JAZYK:\nu > \nu_0"> !}: Maximálna kinetická energia fotoelektrónov nezávisí od intenzity svetla.
Všetky tieto skutočnosti sa odrážajú v druhom a treťom zákone fotoelektrického javu.
Druhý zákon fotoelektrického javu. Maximálna kinetická energia fotoelektrónov rastie lineárne s frekvenciou svetla a nezávisí od jeho intenzity.
Tretí zákon fotoelektrického javu. Pre každú látku existuje červená hranica fotoelektrického javu - najnižšia frekvencia svetla, pri ktorej je fotoelektrický jav ešte možný. Keď fotoelektrický efekt nie je pozorovaný pri žiadnej intenzite svetla.
Ťažkosti klasického vysvetlenia fotoelektrického javu
Ako by sa dal vysvetliť fotoelektrický jav z pohľadu klasickej elektrodynamiky a vlnových konceptov svetla?
Je známe, že na odstránenie elektrónu z látky je potrebné odovzdať jej určitú energiu, tzv pracovná funkcia elektrón. V prípade voľného elektrónu v kove ide o prácu pri prekonaní poľa kladných iónov kryštálovej mriežky, ktorá drží elektrón na hranici kovu. V prípade elektrónu umiestneného v atóme je pracovnou funkciou práca vykonaná na prerušenie väzby medzi elektrónom a jadrom.
V striedavom elektrickom poli svetelnej vlny začne elektrón oscilovať.
A ak vibračná energia prekročí pracovnú funkciu, potom sa elektrón z látky vytrhne.
V rámci takýchto predstáv však nie je možné pochopiť druhý a tretí zákon fotoelektrického javu. Prečo vlastne kinetická energia vyvrhnutých elektrónov nezávisí od intenzity žiarenia? Veď čím väčšia intenzita, tým väčšia sila elektrického poľa v elektromagnetickej vlne, tým väčšia sila pôsobí na elektrón, tým väčšia je energia jeho kmitov a tým väčšia je kinetická energia elektrónu z katódy. Logické? Logické. Ale experiment ukazuje niečo iné.
Ďalej, odkiaľ pochádza červený okraj fotoelektrického efektu? Čo je zlé na nízkych frekvenciách? Zdalo by sa, že so zvyšujúcou sa intenzitou svetla rastie aj sila pôsobiaca na elektróny; preto aj pri nízkej frekvencii svetla dôjde skôr či neskôr k vytrhnutiu elektrónu z látky - keď intenzita dosiahne dostatočnú veľký význam. Červená hranica však prísne zakazuje emisiu elektrónov pri nízkych frekvenciách dopadajúceho žiarenia.
Navyše je to nejasné zotrvačnosť fotoelektrický efekt Totiž, keď je katóda osvetlená žiarením ľubovoľne slabej intenzity (s frekvenciou nad červenou hranicou), začína sa fotoelektrický jav okamžite- v okamihu zapnutia osvetlenia. Medzitým by sa zdalo, že elektróny potrebujú nejaký čas na to, aby „uvoľnili“ väzby, ktoré ich držia v látke, a tento čas „uvoľnenia“ by mal byť dlhší, čím je dopadajúce svetlo slabšie. Analógia je takáto: čím slabšie stlačíte švih, tým dlhšie bude trvať, kým ho rozkývate na danú amplitúdu.
Opäť to vyzerá logicky, ale skúsenosť je jediným kritériom pravdy vo fyzike! - odporuje týmto argumentom.
Tak ďalej prelom 19. storočia a 20. storočí nastala vo fyzike patová situácia: elektrodynamika, ktorá predpovedala existenciu elektromagnetických vĺn a vynikajúco funguje v oblasti rádiových vĺn, odmietla vysvetliť fenomén fotoelektrického javu.
Cestu z tejto slepej uličky našiel Albert Einstein v roku 1905. Našiel jednoduchú rovnicu, ktorá opisuje fotoelektrický jav. Všetky tri zákony fotoelektrického javu sa ukázali ako dôsledky Einsteinovej rovnice.
Hlavnou Einsteinovou zásluhou bolo jeho odmietnutie pokusov interpretovať fotoelektrický efekt z hľadiska klasickej elektrodynamiky. Einstein vychádzal z odvážnej hypotézy o kvantách, ktorú pred piatimi rokmi vyjadril Max Planck.
Planckova hypotéza o kvantách
Klasická elektrodynamika odmietla pracovať nielen v oblasti fotoelektrického javu. Vážne zlyhalo aj vtedy, keď sa ním pokúsili opísať vyžarovanie ohriateho telesa (tzv. tepelné žiarenie).
Podstata problému spočívala v tom, že jednoduchý a prirodzený elektrodynamický model tepelného žiarenia viedol k nezmyselnému záveru: každé zahrievané teleso, nepretržite sálajúce, musí postupne stratiť všetku energiu a ochladiť sa na absolútnu nulu. Ako veľmi dobre vieme, nič také sa nepozoruje.
Pri riešení tohto problému vyjadril Max Planck svoju slávnu hypotézu.
Kvantová hypotéza. Elektromagnetická energia sa vyžaruje a absorbuje nie nepretržite, ale v oddelených nedeliteľných častiach - kvantách. Kvantová energia je úmerná frekvencii žiarenia:
(2)
Vzťah (2) sa nazýva Planckov vzorec, a koeficient proporcionality je Planckova konštanta.
Prijatie tejto hypotézy umožnilo Planckovi zostaviť teóriu tepelného žiarenia, ktorá bola vo vynikajúcej zhode s experimentom. Planck, ktorý mal zo skúseností známe spektrá tepelného žiarenia, vypočítal hodnotu svojej konštanty:
J·s. (3)
Úspech Planckovej hypotézy naznačil, že zákony klasickej fyziky sa nevzťahujú na malé častice, ako sú atómy alebo elektróny, ani na javy interakcie medzi svetlom a hmotou. Túto myšlienku potvrdil fenomén fotoelektrického javu.
Einsteinova rovnica pre fotoelektrický jav
Planckova hypotéza hovorila o diskrétnosti žiarenia A prevzatia elektromagnetických vĺn, teda o prerušovanom charaktere interakcie svetla s hmotou. Planck tomu zároveň veril šírenie svetlo je nepretržitý proces, ktorý sa odohráva v plnom súlade so zákonmi klasickej elektrodynamiky.
Einstein zašiel ešte ďalej: navrhol to svetlo má v zásade nespojitú štruktúru: nielen emisia a absorpcia, ale aj šírenie svetla prebieha v oddelených častiach - kvantách, ktoré majú energiu.
Planck považoval svoju hypotézu len za matematický trik a neodvážil sa vyvrátiť elektrodynamiku vo vzťahu k mikrokozmu. Quanta sa stala fyzickou realitou vďaka Einsteinovi.
Kvantá elektromagnetického žiarenia (najmä kvantá svetla) sa následne stali známymi ako fotóny. Svetlo sa teda skladá zo špeciálnych častíc – fotónov, pohybujúcich sa vo vákuu rýchlosťou .
Každý fotón monochromatického svetla s frekvenciou nesie energiu.
Fotóny si môžu vymieňať energiu a hybnosť s časticami hmoty (hybnosti fotónu sa budeme venovať v ďalšom liste); v tomto prípade hovoríme o kolízia fotón a častica. Najmä fotóny sa zrážajú s elektrónmi katódového kovu.
Absorpcia svetla je absorpcia fotónov, tzn neelastické zrážka fotónov s časticami (atómy, elektróny). Fotón, ktorý je absorbovaný pri zrážke s elektrónom, mu odovzdá svoju energiu. Výsledkom je, že elektrón dostáva kinetickú energiu okamžite a nie postupne, a to vysvetľuje fotoelektrický efekt bez zotrvačnosti.
Einsteinova rovnica pre fotoelektrický jav nie je nič iné ako zákon zachovania energie. Kam ide fotónová energia? pri jeho nepružnej zrážke s elektrónom? Vynakladá sa na vykonávanie pracovnej funkcie extrakcie elektrónu z látky a dodávania kinetickej energie elektrónu:
(4)
Termín sa ukazuje byť maximálne kinetická energia fotoelektrónov. Prečo maximálne? Táto otázka si vyžaduje trochu objasnenia.
Elektróny v kove môžu byť voľné alebo viazané. Voľné elektróny „prechádzajú“ celým kovom, zatiaľ čo viazané elektróny „sedia“ vo vnútri ich atómov. Okrem toho môže byť elektrón umiestnený tak blízko povrchu kovu, ako aj v jeho hĺbke.
Je jasné, že maximálnu kinetickú energiu fotoelektrónu získame v prípade, keď fotón narazí na voľný elektrón v povrchovej vrstve kovu – potom na vyradenie elektrónu stačí samotná pracovná funkcia.
Vo všetkých ostatných prípadoch bude potrebné vynaložiť ďalšiu energiu - na vytrhnutie viazaného elektrónu z atómu alebo na „pretiahnutie“ hlbokého elektrónu na povrch.
Tieto dodatočné náklady povedie k tomu, že kinetická energia emitovaného elektrónu bude menšia.
Rovnica (4), pozoruhodná svojou jednoduchosťou a fyzikálnou jasnosťou, obsahuje celú teóriu fotoelektrického javu. Pozrime sa, ako sa vysvetľujú zákony fotoelektrického javu z pohľadu Einsteinovej rovnice.
1. Počet vyradených elektrónov je úmerný počtu absorbovaných fotónov. So zvyšujúcou sa intenzitou svetla sa zvyšuje počet fotónov dopadajúcich na katódu za sekundu.
Preto sa počet absorbovaných fotónov a tým aj počet vyradených elektrónov za sekundu úmerne zvyšuje.
2. Vyjadrime kinetickú energiu zo vzorca (4):
Kinetická energia vyvrhnutých elektrónov sa totiž lineárne zvyšuje s frekvenciou a nezávisí od intenzity svetla.
Závislosť kinetickej energie od frekvencie má tvar rovnice priamky prechádzajúcej bodom. To plne vysvetľuje priebeh grafu na obr. 3.
3. Aby mohol začať fotoelektrický efekt, musí byť energia fotónu dostatočná aspoň na dokončenie pracovnej funkcie: . Najmenšia frekvencia určená rovnosťou
toto bude červený okraj fotoelektrického efektu. Ako vidíme, červená hranica fotoelektrického javu je určená len pracovnou funkciou, t.j. závisí len od podstaty ožarovaného povrchu katódy.
Ak , potom nebude existovať žiadny fotoelektrický efekt - bez ohľadu na to, koľko fotónov dopadne na katódu za sekundu. Preto nezáleží na intenzite svetla; hlavná vec je, či má jednotlivý fotón dostatok energie na vyradenie elektrónu.
Einsteinova rovnica (4) umožňuje experimentálne nájsť Planckovu konštantu. Na to je potrebné najskôr určiť frekvenciu žiarenia a pracovnú funkciu katódového materiálu, ako aj zmerať kinetickú energiu fotoelektrónov.
Počas takýchto experimentov sa získala hodnota, ktorá sa presne zhoduje s (3). Takáto zhoda výsledkov dvoch nezávislých experimentov - založených na spektrách tepelného žiarenia a Einsteinovej rovnici pre fotoelektrický efekt - znamenala, že boli objavené úplne nové „pravidlá hry“, podľa ktorých dochádza k interakcii svetla a hmoty. V tejto oblasti ustupuje klasická fyzika reprezentovaná newtonovskou mechanikou a maxwellovskou elektrodynamikou kvantová fyzika- teória mikrosveta, ktorej budovanie pokračuje dodnes.
FOTOEFEKT, skupina javov spojených s uvoľňovaním elektrónov pevného telesa z vnútroatómových väzieb vplyvom elektromagnetického žiarenia. Existujú: 1) vonkajší fotoelektrický efekt alebo fotoelektrónová emisia, emisia elektrónov z povrchu... ... Moderná encyklopédia
FOTOEFEKT- jav spojený s uvoľňovaním elektrónov z pevnej látky (alebo kvapaliny) vplyvom elektromagnetického žiarenia. Existujú:..1) vonkajší fotoelektrický jav, emisia elektrónov pod vplyvom svetla (emisia fotoelektrónov), ? žiarenie atď.;..2)… … Veľký encyklopedický slovník
FOTOEFEKT- emisia elektrónov do vzduchu pod vplyvom el. mag. žiarenia. F. bola otvorená v roku 1887. fyzik G. Hertz. Prvé prostriedky. F. výskum robil A. G. Stoletov (1888), potom Nemec. fyzik F. Lenard (1899). Prvá je teoretická. vysvetlenie zákonov... Fyzická encyklopédia
fotoefekt- podstatné meno, počet synoným: 2 fotoefekt (1) efekt (29) ASIS synonymický slovník. V.N. Trishin. 2013… Slovník synoným
fotoefekt- - [V.A. Anglicko-ruský slovník reléovej ochrany] Témy reléová ochrana EN fotoefekt ... Technická príručka prekladateľa
FOTOEFEKT- (1) výskyt ventilu elektromotorická sila(fotoEMF) medzi dvoma odlišnými polovodičmi alebo medzi polovodičom a kovom pod vplyvom elektromagnetického žiarenia; (2) F. vonkajšia (fotoelektrónová emisia) emisia elektrónov s ... Veľká polytechnická encyklopédia
fotoefekt- A; m. Zmeny vlastností látky pod vplyvom svetelnej energie; fotoelektrický efekt. * * * fotoelektrický jav je jav spojený s uvoľňovaním elektrónov pevný(alebo kvapalina) pod vplyvom elektromagnetického žiarenia. Rozlišujte: ... ... Encyklopedický slovník
Fotografický efekt- emisia elektrónov látkou pod vplyvom elektromagnetického žiarenia (Fotóny). F. objavil v roku 1887 G. Hertz. Po prvé základný výskum F, ktorý vyrobil A. G. Stoletov (1888). Zistil, že pri výskyte fotoprúdu v... ... Veľká sovietska encyklopédia
fotoefekt- (viď foto... + afekt) telesné. zmena elektrických vlastností látky pod vplyvom elektromagnetického žiarenia (svetlo, ultrafialové, röntgenové a iné lúče), napríklad emisia elektrónov smerom von pod vplyvom svetla (vonkajšia f.), zmena . ... ... Slovník cudzie slová ruský jazyk
knihy
- , P.S. Tartakovského. Reprodukované v pôvodnom autorskom pravopise vydania z roku 1940 (vydavateľstvo GITTL). V… Kúpiť za 2220 UAH (iba Ukrajina)
- Vnútorný fotoelektrický jav v dielektrikách, P.S. Tartakovského. Táto kniha bude vyrobená v súlade s vašou objednávkou pomocou technológie Print-on-Demand.
Reprodukované v pôvodnom autorskom pravopise vydania z roku 1940 (vydavateľstvo GITTL...
Strana 1
Fenomén fotoelektrického javu, ktorý objavil v roku 1887 Hertz a ktorý podrobne študoval A.G. Stoletov, spočíva v tom, že kovy (alebo polovodiče) emitujú elektróny, keď sú vystavené svetlu. Nie je možné vysvetliť fotoelektrický efekt na základe vlnovej teórie svetla. Emisia elektrónov sa však pozoruje ihneď po osvetlení kovu. Navyše, podľa vlnovej teórie by energia E3 elektrónov emitovaných kovom mala byť úmerná intenzite dopadajúceho svetla. Zistilo sa však, že Ee nezávisí od intenzity svetla, ale závisí od jeho frekvencie, pričom sa zvyšuje s rastúcim v; zvýšenie intenzity vedie len k zvýšeniu počtu elektrónov emitovaných z kovu.
| Statické charakteristiky germániovej fotodiódy. |
Fenomén fotoelektrického javu je možné využiť aj v pn prechode, na ktorý je privedené spätné napätie.
Fenomén fotoelektrického javu sa zisťuje osvetlením zinkovej platne pripojenej k tyči elektromera.
Fenomén fotoelektrického javu, ktorý objavil v roku 1889 A.G. Stoletov, spočíva v tom, že kovy (alebo polovodiče) emitujú elektróny, keď sú vystavené svetlu. Nie je možné vysvetliť fotoelektrický efekt na základe vlnovej teórie svetla. Emisia elektrónov sa však pozoruje ihneď po osvetlení kovu. Navyše, podľa vlnovej teórie by energia Ea elektrónov emitovaných kovom mala byť úmerná intenzite dopadajúceho svetla. Zistilo sa však, že Ee nezávisí od intenzity svetla, ale závisí od jeho frekvencie, pričom sa zvyšuje s rastúcim v; zvýšenie intenzity vedie len k zvýšeniu počtu elektrónov emitovaných z kovu.
Fenomén fotoelektrického javu, ktorý objavil A.G.Stoletov v roku 1888, spočíva v tom, že vplyvom svetla dochádza k vyžarovaniu elektrónov z povrchu rôznych telies, v dôsledku čoho dané teleso získava náboj. Okrem toho je tento jav pozorovaný iba vtedy, ak je energia svetelného kvanta viac práce, potrebné na odstránenie elektrónu z povrchu danej látky a odovzdanie určitej kinetickej energie.
Fenomén fotoelektrického javu spočíva v tom, že lúče svetla dopadajúce na akékoľvek teleso (bez ohľadu na jeho chemickú povahu a fyzický stav), vyrazte z nej elektróny.
Fenomén fotoelektrického javu prvýkrát objavil v roku 1819 ruský chemik Grotthus.
Fenomén fotoelektrického javu si prvýkrát všimol Hertz v roku 1887. Hertz zistil, že ožarovanie iskriska ultrafialovými lúčmi uľahčuje výboj.
Podstatou fotoelektrického javu je, že pri osvetlení povrchu kovov alebo polovodičov častice žiarivej energie prenikajú do povrchových vrstiev osvetleného telesa a dodávajú jeho elektrónom dodatočnú energiu. V dôsledku toho sa elektróny osvetleného telesa začnú pohybovať vysokou rýchlosťou a opustia svoje normálne dráhy pohybu. Tento jav zrýchlenia pohybu elektrónov osvetleného telesa pod vplyvom energie žiarenia sa nazýva fotoelektrický jav.
Pri fotoelektrickom jave sú elektróny vyvrhnuté z kovového povrchu žiarením s frekvenciou 2 - 104 Hz úplne oneskorené brzdným poľom pri rozdiele potenciálov 7 V a pri frekvencii 4 - 101 Hz - pri rozdiele potenciálov. 15 V.
Fotoelektrický efekt bol objavený v roku 1887 nemeckým fyzikom G. Hertzom a experimentálne skúmaný A. G. Stoletovom v rokoch 1888-1890. Najkompletnejšiu štúdiu fenoménu fotoelektrického javu vykonal F. Lenard v roku 1900. V tom čase už bol objavený elektrón (1897, J. Thomson) a ukázalo sa, že fotoelektrický jav (alebo viac presne vonkajší fotoefekt) pozostáva z vyvrhnutia elektrónov z látky pod vplyvom svetla, ktoré na ňu dopadá.
Schéma experimentálne nastavenie na štúdium fotoelektrického javu je znázornené na obr. 5.2.1.
Na experimenty bola použitá sklenená vákuová fľaša s dvoma kovovými elektródami, ktorej povrch bol dôkladne vyčistený. Na elektródy bolo aplikované určité napätie U, ktorého polaritu je možné meniť pomocou dvojitého kľúča. Jedna z elektród (katóda K) bola osvetlená cez kremenné okienko monochromatickým svetlom určitej vlnovej dĺžky λ. Pri konštantnom svetelnom toku sa brala závislosť sily fotoprúdu ja od použitého napätia. Na obr. 5.2.2 ukazuje typické krivky takejto závislosti, získané pri dvoch hodnotách intenzity svetelný tok, incident na katóde.
Krivky ukazujú, že pri dostatočne veľkých kladných napätiach na anóde A dosiahne fotoprúd saturáciu, pretože všetky elektróny vyvrhnuté svetlom z katódy dosiahnu anódu. Starostlivé merania ukázali, že saturačný prúd ja n je priamo úmerné intenzite dopadajúceho svetla. Keď je napätie na anóde záporné, elektrické pole medzi katódou a anódou inhibuje elektróny. Iba tie elektróny, ktorých kinetická energia presahuje | eU|. Ak je anódové napätie nižšie ako - U h, fotoprúd sa zastaví. Meranie U h, môžeme určiť maximálnu kinetickú energiu fotoelektrónov:
Na prekvapenie vedcov hodnota U h sa ukázalo ako nezávislé od intenzity dopadajúceho svetelného toku. Starostlivé merania ukázali, že blokovací potenciál rastie lineárne so zvyšujúcou sa frekvenciou ν svetla (obr. 5.2.3).
Mnoho experimentátorov stanovilo nasledujúce základné princípy fotoelektrického javu:
1. Maximálna kinetická energia fotoelektrónov rastie lineárne so zvyšujúcou sa frekvenciou svetla ν a nezávisí od jeho intenzity.
2. Ku každej látke existuje tzv červený okraj s fotografickým efektom , teda najnižšia frekvencia ν min, pri ktorej je ešte možný vonkajší fotoelektrický efekt.
3. Počet fotoelektrónov vyžiarených svetlom z katódy za 1 s je priamo úmerný intenzite svetla.
4. Fotoelektrický jav je prakticky bez zotrvačnosti, fotoprúd sa objaví okamžite po začiatku osvetlenia katódy za predpokladu, že frekvencia svetla ν > ν min.
Všetky tieto zákony fotoelektrického javu zásadne odporovali predstavám klasickej fyziky o interakcii svetla s hmotou. Podľa vlnových konceptov by pri interakcii s elektromagnetickou svetelnou vlnou elektrón postupne akumuloval energiu a trvalo by značné množstvo času, v závislosti od intenzity svetla, kým by elektrón nahromadil dostatok energie na to, aby vyletel z katóda. Ako ukazujú výpočty, tento čas by sa mal počítať v minútach alebo hodinách. Skúsenosti však ukazujú, že fotoelektróny sa objavia ihneď po začiatku osvetlenia katódy. V tomto modeli tiež nebolo možné pochopiť existenciu červenej hranice fotoelektrického javu. Vlnová teória svetla nedokázala vysvetliť nezávislosť energie fotoelektrónov od intenzity svetelného toku a úmernosť maximálnej kinetickej energie k frekvencii svetla.
teda elektromagnetická teória svetlo nedokázalo vysvetliť tieto vzorce.
Riešenie našiel A. Einstein v roku 1905. Teoretické vysvetlenie pozorovaných zákonov fotoelektrického javu podal Einstein na základe hypotézy M. Plancka, že svetlo sa v určitých častiach vyžaruje a absorbuje a energia každého takého časť je určená vzorcom E = hν, kde h- Planckova konštanta. Einstein urobil ďalší krok vo vývoji kvantových konceptov. Dospel k záveru svetlo má nespojitú (diskrétnu) štruktúru. Elektromagnetická vlna sa skladá z oddelených častí - kvantá, neskôr pomenované fotóny. Pri interakcii s hmotou fotón úplne odovzdá všetku svoju energiu hν jeden elektrón. Elektrón môže časť tejto energie rozptýliť pri zrážkach s atómami hmoty. Okrem toho sa časť elektrónovej energie vynakladá na prekonanie potenciálnej bariéry na rozhraní kov-vákuum. Na to musí elektrón vyrobiť pracovná funkcia A v závislosti od vlastností materiálu katódy. Maximálnu kinetickú energiu, ktorú môže mať fotoelektrón emitovaný z katódy, určuje zákon zachovania energie:
Tento vzorec sa zvyčajne nazýva Einsteinova rovnica pre fotoelektrický jav .
Pomocou Einsteinovej rovnice možno vysvetliť všetky zákony vonkajšieho fotoelektrického javu. Z Einsteinovej rovnice to vyplýva lineárna závislosť maximálna kinetická energia na frekvencii a nezávislosť od intenzity svetla, existencia červenej hranice, fotoelektrický efekt bez zotrvačnosti. Celkový počet fotoelektróny opúšťajúce povrch katódy za 1 s musia byť úmerné počtu fotónov dopadajúcich na povrch za rovnaký čas. Z toho vyplýva, že saturačný prúd musí byť priamo úmerný intenzite svetelného toku.
Ako vyplýva z Einsteinovej rovnice, tangenta uhla sklonu priamky vyjadrujúca závislosť blokovacieho potenciálu Uз od frekvencie ν (obr. 5.2.3), rovnajúcej sa podielu Planckovej konštanty h na elektrónový náboj e:
To nám umožňuje experimentálne určiť hodnotu Planckovej konštanty. Takéto merania vykonal v roku 1914 R. Millikan a dobre sa zhodovali s hodnotou zistenou Planckom. Tieto merania umožnili určiť aj pracovnú funkciu A:
Kde c- rýchlosť svetla, λ cr - vlnová dĺžka zodpovedajúca červenej hranici fotoelektrického javu. Väčšina kovov má pracovnú funkciu A je niekoľko elektrónvoltov (1 eV = 1,602·10 -19 J). V kvantovej fyzike sa elektrónvolt často používa ako energetická jednotka. Hodnota Planckovej konštanty, vyjadrená v elektrónvoltoch za sekundu, je
Medzi kovmi majú alkalické prvky najnižšiu pracovnú funkciu. Napríklad sodík A= 1,9 eV, čo zodpovedá červenej hranici fotoelektrického javu λ cr ≈ 680 nm. Preto sa zlúčeniny alkalických kovov používajú na vytváranie katód v fotobunky , určený na záznam viditeľného svetla.
Takže zákony fotoelektrického javu naznačujú, že svetlo, keď je emitované a absorbované, sa správa ako prúd častíc tzv. fotóny alebo svetelné kvantá .
Fotónová energia je
z toho vyplýva, že fotón má hybnosť
Doktrína svetla sa tak po zavŕšení revolúcie trvajúcej dve storočia opäť vrátila k myšlienkam svetelných častíc - teliesok.
Nebol to však mechanický návrat k Newtonovej korpuskulárnej teórii. Začiatkom 20. storočia sa ukázalo, že svetlo má dvojakú povahu. Pri šírení svetla sa objavujú jeho vlnové vlastnosti (interferencia, difrakcia, polarizácia) a pri interakcii s hmotou jeho korpuskulárne vlastnosti (fotoelektrický efekt). Táto dvojaká povaha svetla sa nazýva vlnovo-časticová dualita , o ktorej hovoril Lomonosov. Neskôr bola objavená duálna povaha elektrónov a iných elementárnych častíc. Klasická fyzika nemôže dať vizuálny model kombinácie vlnových a korpuskulárnych vlastností mikroobjektov. Pohyb mikroobjektov sa neriadi zákonmi klasickej newtonovskej mechaniky, ale zákonmi kvantovej mechaniky. Teória žiarenia čierneho telesa vyvinutá M. Planckom, a kvantová teória Základom tejto modernej vedy je Einsteinov fotoelektrický efekt.