Fotoelektrični efekat je fenomen izvlačenja svjetlosti elektrona iz metala (vanjskog)

Fotoelektrični efekat je emisija elektrona tvari pod djelovanjem svjetlosti (ili bilo kojeg drugog elektromagnetnog zračenja). U kondenzovanim supstancama (čvrstim i tečnim) razlikuju se spoljašnji i unutrašnji fotoelektrični efekti.

Eksterni fotoelektrični efekat (fotoelektronska emisija) je emisija elektrona od strane supstance pod dejstvom elektromagnetnog zračenja. Elektroni emitirani iz tvari vanjskim fotoelektričnim efektom nazivaju se fotoelektroni, i struja, koju oni formiraju tokom uređenog kretanja u vanjskom električnom polju, naziva se fotostruja.

Izračunajte energiju fotona

Ova relacija je poznata kao uslov Bohove frekvencije. Jednačina 3 se primjenjuje za pronalaženje energije emisije date frekvencije. On množi energiju fotona brojem koji odgovara molu fotona, tj. Avogadrova konstanta. Fotoelektrični efekat pruža test korpuskularne prirode elektromagnetnog zračenja.

Kada prođe prijelaz iz energetskog stanja u stanje niže energije, atom gubi energiju ostavljajući kao foton. Što je veći gubitak energije, to je veća frekvencija emitovanog zračenja. Fotoelektrični efekat snažno odražava tezu da su elektromagnetno zračenje fotoni čije je ponašanje slično ponašanju čestica. Međutim, postoje mnogi testovi da se elektromagnetno zračenje ponaša kao talas! Najviše impresivan je fenomen difrakcije, slika visokog i niskog intenziteta koju generiše objekat koji se nalazi duž putanje svetlosnih zraka.

Unutrašnji fotoelektrični efekat je preraspodjela elektrona po energetskim stanjima u čvrstim i tekućim poluvodičima i dielektricima, koja nastaje pod utjecajem zračenja. Manifestira se u promjeni koncentracije nosilaca naboja u mediju i dovodi do pojave fotokonduktivnosti ili fotoelektričnog efekta ventila.

Difrakciona slika se formira kada vrhovi i talasi talasa koji putuju duž putanje ometaju vrhove i ventrikule onih koji prate drugu putanju. Najčešći interferentni rubovi su iridescentne boje koje se formiraju na površini CD-a. Ako se vrhovi poklapaju, amplituda vala se povećava, a ovo povećanje naziva se konstruktivna interferencija. Ako se umjesto toga vrhovi talasa poklapaju sa komorama drugog, amplituda se smanjuje destruktivnom interferencijom.

Ovaj efekat je osnova korisnog tehničkog proučavanja materije. Na primjer, difrakcija rendgenskih zraka je jedna od neophodna sredstva proučavanje strukture molekula. Možete razumjeti zašto su naučnici bili nekako dezorijentirani! Rezultati nekih eksperimenata naveli su ih da prepoznaju da je elektromagnetno zračenje korpuskularno, a drugi eksperimenti su ih naveli da otkriju da elektromagnetno zračenje oscilira. Sve ovo nas uvodi u srce moderne fizike. Iskustvo nas obavezuje da prihvatimo ono što nazivamo dvotalasnim korpusom elektromagnetnog zračenja, koji vidi talase i čestice jedni u druge.

Fotoprovodljivost je povećanje električne provodljivosti tvari pod djelovanjem zračenja.

Fotoelektrični efekat ventila je vrsta unutrašnjeg fotoelektričnog efekta - to je pojava EMF (foto EMF) pri osvjetljavanju kontakta dva različita poluvodiča ili poluprovodnika i metala (u nedostatku vanjskog električno polje). Fotoelektrični efekat ventila otvara put za direktnu konverziju sunčeve energije u električnu energiju.

U okviru talasnog obrasca, intenzitet zračenja je proporcionalan kvadratu amplitude talasa; u korpuskularnom modelu, proporcionalan je broju fotona koji su trenutno prisutni na trenutak. Ako je elektromagnetno zračenje, koje je dugo imalo talasni karakter, imalo i karakter čestice, da li se može zamisliti da materijal koji se razmatra od Daltonovih čestica takođe ima svojstva talasa?

Maseni proizvod brzine uzima ime linearnog momenta čestice p, tako da se jednačina 5a može preformulisati kao de Broglieov omjer na sljedeći način. Pravilan raspored atoma unutar kristala, sa centrima razmaknutim oko 250 µm, djeluje kao uzorak, sposoban da raspršuje valove i zapravo promatra difrakcijsku sliku. Danas je difrakcija elektrona važna metoda za određivanje molekularne strukture i proučavanje strukture čvrstih površina.

Višefotonski fotoelektrični efekat je moguć ako je intenzitet svjetlosti vrlo visok (na primjer, kada se koriste laserske zrake). U ovom slučaju, elektron koji emituje metal može istovremeno primiti energiju ne od jednog, već od nekoliko fotona.

Stoletovljevi zakoni

Prvi zakon
Istražujući zavisnost jačine struje u balonu od napona između elektroda sa konstantnim svetlosnim tokom do jedne od njih, ustanovio je prvi zakon fotoelektričnog efekta.

Procjena talasne dužine čestica

Čitajući u nastavku, shvatit ćete zašto korozivna svojstva čestica nikada nisu bila očigledna. Izračunava talasnu dužinu čestice mase 1 g koja se kreće brzinom od 1 m s - 1. Pošto je čestica u pitanju mnogo teža od bilo koje subatomske čestice, očekuje se veoma kratka talasna dužina.

Da biste pronašli talasnu dužinu čestice poznate mase, primenite jednačinu 5a. Kao što se očekivalo, talasna dužina čestice je veoma mala, gotovo neadekvatna; isto važi i za bilo koji drugi makroskopski objekat koji se kreće normalnom brzinom. Elektroni imaju i korozivna i korpuskularna svojstva.

Fotostruja zasićenja je proporcionalna svjetlosnom toku koji pada na metal.

Jer jačina struje je određena veličinom naboja, a svjetlosni tok je određen energijom svjetlosnog snopa, tada možemo reći:

broj elektrona izbačenih iz supstance u 1 s proporcionalan je intenzitetu svjetlosti koja pada na ovu supstancu.

Drugi zakon

Menjajući uslove osvetljenja na istoj instalaciji, A. G. Stoletov je otkrio drugi zakon fotoelektričnog efekta: kinetička energija fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već zavisi od njene frekvencije.

Kada zračenje koje dolazi s lijeve strane prolazi kroz dvije kratke udaljenosti, svaki od njih stvara kružne valove koji međusobno ometaju. Tamo gdje je intervencija konstruktivna, ekran iza proreza pokazuje svijetleću liniju; gdje su smetnje destruktivne, ekran je taman.

Dvokomponentni talasi su "u fazi slaganja": njihovi vrhovi i komore se poklapaju. Rezultirajuća vrijednost ima amplitudu, jednak zbiru komponente. Talasna dužina zračenja se ne mijenja kao rezultat interferencije: mijenja se samo amplituda. Destruktivne smetnje. Dvokomponentni talasi "u fazi neusklađenosti": vrhovi jednog se poklapaju sa komorama drugog. Kapacitet prijema ima mnogo manju amplitudu komponenti.

Iz eksperimenta je proizašlo da ako se frekvencija svjetlosti poveća, tada se uz konstantan svjetlosni tok povećava napon blokiranja, a posljedično se povećava i kinetička energija fotoelektrona. Dakle, kinetička energija fotoelektrona raste linearno sa frekvencijom svjetlosti.

treći zakon

Zamjenjujući materijal fotokatode u uređaju, Stoletov je uspostavio treći zakon fotoelektričnog efekta: za svaku supstancu postoji crvena granica fotoelektričnog efekta, tj. postoji minimalna frekvencija nmin na kojoj je fotoelektrični efekat još uvijek moguć.

Kada se valovi u vodi lome i sijeku, stvaraju konstruktivnu interferenciju ako im se krila i vrhovi poklapaju; u ovom slučaju njihove amplitude se sabiraju kada se ponište ako su van faze. Davisson i Germer su pokazali da elektroni reflektirani od kristala rezultiraju difrakcijskom slikom. Thomson, radeći u Aberdeenu u Škotskoj, pokazao je da oni proizvode difrakcijsku sliku čak i kroz tanak list zlata.

Poglavlje Atomi: Kvantno carstvo

Izračunava talasnu dužinu metka od 5,0 g at dupla brzina zvuk. Dualizam talasnog korpusa uništava temelje klasične fizike. U klasičnoj mehanici svaka čestica prati određenu putanju, tj. trajektorija duž koje se položaj i linearni moment javljaju trenutno u određenom trenutku. Umjesto toga, ne može se odrediti tačna lokacija čestice koja djeluje kao val. Na primjer, zamislite uže za gitaru: val se širi duž užeta ne pronalazeći niti jednu tačku.

Zakon održanja energije, koji je napisao Ajnštajn za fotoelektrični efekat, je tvrdnja da energija fotona dobijena od strane elektrona omogućava da napusti površinu provodnika nakon što je izvršio radnu funkciju. Ostatak energije se realizuje u obliku kinetička energija sada slobodan elektron

Energija upadnog fotona troši se na elektron koji obavlja radnu funkciju A od metala i na prenošenje kinetičke energije mv2max/2 emitovanom fotoelektronu. Prema zakonu održanja energije,

Dakle, elektron atoma vodika ne može se opisati kao orbitalna čestica oko jezgre u skladu s određenom putanjom. Popularna slika elektrona koji pravi pravilne orbite oko jezgra mora biti zauvijek zbrisana. To je nemoguće savladati. Ako to znamo u ovog trenutkačestica je u jednoj tački, ne možemo ništa reći o poziciji, što će trajati minut! Matematički izraz ovog principa.

Drugim riječima, proizvod nesigurnosti dvije simultane mjere ne može biti manji od date konstantne vrijednosti. Princip nesigurnosti ima malo praktičnih implikacija kada mi pričamo o makroskopskim objektima, ali ima veliki značaj u slučaju subatomskih čestica kao što su elektroni.

(203.1)

Jednačina (203.1) se naziva Einsteinova jednačina za eksterni fotoelektrični efekat.

Comptonov efekat

Promjena talasne dužine svjetlosti pri rasipanju vezanih elektrona

RUTERFORDOVI EKSPERIMENTI PLANETARNI MODEL ATOMA

Rutherfordovi eksperimenti. Masa elektrona je nekoliko hiljada puta manja od mase atoma. Budući da je atom u cjelini neutralan, najveći dio atoma pada na njegov pozitivno nabijen dio.

Hajzenbergov princip nesigurnosti kaže da je nemoguće u isto vreme tačno znati i vreme i položaj čestice. Da bi opravdali dualizam talasnim korpusom, naučnici dvadesetog veka nisu mogli a da ne razmotre opis prihvaćenog pitanja u prethodnom veku. Jedan od prvih koji je formulisao efektivnu teoriju bio je austrijski naučnik Erwin Schrödinger, koji je uveo osnovni koncept kvantna teorija.

Schrödinger je zamenio koncept tačne putanje čestica talasnom funkcijom, ψ, matematička funkcija, čija se vrijednost mijenja sa pozicijom. Njemački fizičar Max Born je predložio kako fizički protumačiti značenje valne funkcije. Prema Bornovom tumačenju talasne funkcije, verovatnoća pronalaska čestice u datom regionu je proporcionalna vrednosti ψ 2. Tačnije, ψ 2 označava gustinu verovatnoće, tj. omjer vjerovatnoće pronalaska čestice u maloj površini i zapremine ove površine. Stoga, da bismo izračunali vjerovatnoću da se čestica nalazi u malom prostornom području, pomnožimo ψ 2 sa zapreminom ovog područja.

Za pilot studija distribuciju pozitivnog naboja, a samim tim i mase unutar atoma, Ernest Rutherford je 1906. predložio primjenu sondiranja atoma uz pomoć -čestica. Ove čestice nastaju raspadom radijuma i nekih drugih elemenata. Njihova masa je oko 8000 puta veća od mase elektrona, i pozitivan naboj je jednak po modulu dvostrukom naboju elektrona. Ovo nisu ništa drugo do potpuno jonizovani atomi helijuma. Brzina -čestica je vrlo velika: iznosi 1/15 brzine svjetlosti.

Gdje god se ψ poništava, pa je stoga nula također ψ 2, čestica ima gustinu vjerovatnoće nula. Tačka u kojoj ψ prolazi kroz nulu je definirana kao čvor valne funkcije; to znači da čestica u čvoru ima gustinu vjerovatnoće nula. Prema kvantnoj mehanici, čestica u kutiji može imati samo neke valne dužine λ; a isto tako konopac za gitaru fiksiran na dva kraja ne može se mahati talasima koji imaju bilo koji λ, polje samo reguliše određene talasne dužine koje odgovaraju omjeru.

Gustoća vjerovatnoće da se čestica nalazi na određenoj lokaciji proporcionalna je kvadratu valne funkcije u toj tački; valna funkcija se rješava rješavanjem Schrödingerove jednadžbe čestice. Potonji je sposoban posjedovati samo određene energije.

Sa ovim česticama, Rutherford je bombardovao atome teških elemenata. Elektroni, zbog svoje male mase, ne mogu primjetno promijeniti putanju -čestice, kao što kamenčić od nekoliko desetina grama u sudaru s automobilom ne može bitno promijeniti njegovu brzinu.

Planetarni model atoma. Na osnovu svojih eksperimenata, Rutherford je stvorio planetarni model atoma. U središtu atoma nalazi se pozitivno nabijeno jezgro, u kojem je koncentrirana gotovo sva masa atoma. Generalno, atom je neutralan. Dakle, broj intraatomskih elektrona, kao i naboj jezgra, jednak je rednom broju elementa u periodnom sistemu. Jasno je da elektroni ne mogu mirovati unutar atoma, jer bi pali na jezgro. Kreću se oko jezgra, baš kao što se planete okreću oko Sunca. Ovaj karakter kretanja elektrona određen je djelovanjem Kulombovih sila privlačenja sa strane jezgra.

Izvještava se o prvih šest valnih funkcija i njihovih odgovarajućih energija. Svetlost je preduslov za život jer je glavni izvor energije za našu hranu. Svjetlo ima sastavnu i integralnu ulogu u religiji, u pričama o stvaralaštvu, poeziji, književnosti, jeziku i kulturi. Svetlost je takođe "atmosferska" slika kada posmatrate zalazak sunca, izlazak, dugu, borealni izlazak sunca i astralnu auroru. Već u doba grčkih i arapskih filozofa teorije o svjetlosti bile su usko povezane s onima koje su vidljive: svjetlost nam omogućava da vidimo, a optički instrumenti poput naočala, kontaktnih leća i laserske kirurške terapije poboljšavaju vidnu oštrinu. Vrijeme koje se svjetlo koristi za dijagnosticiranje i liječenje defekata lica i očnih bolesti moguće je zahvaljujući fotofizici u našoj mrežnici i poluvodičkim detektorima prisutnim u kamerama koje imamo.

Plankova pretpostavka je briljantno riješila problem termičko zračenje crno tijelo, potvrđeno je i dalje razvijeno u objašnjenju fotoelektričnog efekta – fenomena čije je otkriće i proučavanje odigralo važnu ulogu u razvoju kvantne teorije. 1887. G. Hertz je otkrio da kada se negativna elektroda osvijetli ultraljubičastim zracima, pražnjenje između elektroda nastaje pri nižem naponu. Ovaj fenomen, kao što su pokazali eksperimenti V. Galvaksa (1888) i A.G. Stoletov (1888–1890), zbog nokautiranja pod dejstvom svetlosti negativnih naboja sa elektrode. Elektron još nije otkriven. Tek 1898. godine J.J. Thompson i F. Leonard su, izmjerivši specifičan naboj čestica koje emituje tijelo, otkrili da su to elektroni.

Boje obogaćuju okruženje oko nas, oni su veliki izvor ljudskih poticaja u svim područjima, griju naše domove, poboljšavaju naše gradove i naše živote. Sunčeva svetlost, mesec, a takođe i zvezde su uvek izvor velike lepote i istovremeno misterija za čoveka. Svetlost je osnova za savremeni svet: sposobnost generiranja, manipulacije, prijenosa i otkrivanja omogućila je razvoj u komunikacijama, industriji, medicinskim uređajima, javnoj umjetnosti, biotehnološkim alatima, obrazovnim i obrazovne programe i sav alat koji ga proizvodi Naučno istraživanje sve naprednije.

Postoje eksterni, unutrašnji, ventilski i višefotonski fotoelektrični efekti.

eksterni fotoelektrični efekat naziva se emisija elektrona od strane supstance pod dejstvom elektromagnetnog zračenja. eksterni fotoelektrični efekat viđen u čvrste materije(metali, poluprovodnici, dielektrici), kao i u gasovima na pojedinačnim atomima i molekulima (fotojonizacija).

Svjetlost je za nas također izvor informacija o stvaranju svemira i fotografskim procesima koji se odvijaju u zvijezdama, kao i o univerzalnoj prirodi fizičkih zakona koji djeluju u svemiru. Svjetlost je, zahvaljujući spektroskopskim studijama, omogućila postizanje velikog uspjeha u našim teorijskim i eksperimentalnim saznanjima o stvarnoj strukturi atoma i molekula. Ovo isto kvantna mehanika vidio njegovo rođenje i razvoj kroz proučavanje svjetlosti i njene interakcije s materijom.

Do danas vam omogućava da ujedinite i povežete ljude cijelog čovječanstva, koji dolaze iz različitih kultura i naroda, svjetlost nas fascinira, stimuliše i zbližava. Djeca se iznenade kada mogu upaliti vatru konvergirajući sunčeve zrake kroz sočivo, a odrasli se iznenade i kada posmatraju mikrokosmos i makrokosmos, gledajući kroz mikroskop ili teleskop.

Interni fotoelektrični efekat - je uzrokovano elektromagnetno zračenje prelaze elektrona unutar poluprovodnika ili dielektrika iz vezanih u slobodna stanja bez izlaska napolje. Kao rezultat, povećava se koncentracija nosilaca struje unutar tijela, što dovodi do pojave fotokonduktivnosti (povećanje električne provodljivosti poluprovodnika ili dielektrika kada je osvijetljen) ili do pojave elektromotorna sila(EMF).

fotoelektrični efekat ventila je vrsta unutrašnjeg fotoelektričnog efekta, je pojava EMF (foto EMF) pri osvjetljavanju kontakta dva različita poluvodiča ili poluvodiča i metala (u odsustvu vanjskog električnog polja). Fotoelektrični efekat ventila otvara put za direktnu konverziju sunčeve energije u električnu energiju.

Višefotonski fotoelektrični efekat moguće ako je intenzitet svjetlosti vrlo visok (na primjer, kada se koriste laserske zrake). U ovom slučaju, elektron koji emituje metal može istovremeno primiti energiju ne od jednog, već od nekoliko fotona.

Prve fundamentalne studije fotoelektričnog efekta sproveo je ruski naučnik A.G. Stoletov. Šematski dijagram za proučavanje fotoelektričnog efekta prikazan je na sl. 2.1.

Rice. 2.1Rice. 2.2

Dvije elektrode (katoda To od materijala koji se proučava i anode ALI, za koji je Stoletov koristio metalnu mrežicu) u vakuumskoj cijevi su spojeni na bateriju tako da pomoću potenciometra R možete promijeniti ne samo vrijednost, već i predznak napona primijenjenog na njih. Struja koja se stvara osvjetljavanjem katode monohromatsko svetlo(kroz kvarcno staklo), mjereno miliampermetrom uključenim u krug.

J. J. Thompson i F. Lenard su 1899. dokazali da tokom fotoelektričnog efekta svjetlost izbacuje elektrone iz materije.

Volt-amperska karakteristika (VAC) fotoelektričnog efekta - zavisnost od fotostruje I, formiran protokom elektrona, na naponu, prikazan je na sl. 2.2.

Ova zavisnost odgovara dvema različitim energetskim osvetljenjima katode (frekvencija svetlosti je ista u oba slučaja). Kako se povećavate U fotostruja se postepeno povećava, tj. sve više fotoelektroni dospeju do anode. Ravni karakter krivulja pokazuje da se elektroni emituju sa katode različitim brzinama.

Maksimalna vrijednost fotostruja zasićenja određena je takvom vrijednošću napona U, pri čemu svi elektroni koje emituje katoda stignu do anode:

gdje n je broj elektrona koje emituje katoda u 1 s.

Proizlazi iz VAC-a, u U= 0 fotostruja ne nestaje. Posljedično, elektroni izbačeni iz katode imaju neku početnu brzinu υ, a time i kinetičku energiju različitu od nule, tako da mogu doći do katode bez vanjskog polja. Da bi fotostruja postala nula, potrebno je primijeniti usporavajući napon . Na , nijedan od elektrona, čak i ako imaju maksimalnu brzinu kada napuštaju katodu, ne može savladati polje usporavanja i doći do anode. shodno tome,

, (2.1.1)

one. mjerenjem napona usporavanja moguće je odrediti maksimalne vrijednosti brzine i kinetičke energije fotoelektrona.

Proučavanjem strujno-naponskih karakteristika različitih materijala pri različitim frekvencijama upada zračenja na katodu i različitom energetskom osvjetljenošću katode i uopštavanjem dobijenih podataka ustanovljena su tri zakona vanjskog fotoelektričnog efekta.

Da pogledate demo, kliknite na odgovarajuću hipervezu: