Fotoefekt - interakcia medzi svetlom a hmotou

Fotografický efekt objavil Heinrich Hertz v roku 1887 a ďalej ho vyšetroval Wilhelm Hallwachs, jeden z jeho študentov, a Philip Lenard.

Správna interpretácia fotoefektu sa však podarila Albertovi Einsteinovi až v jednom z jeho diel z roku 1905. Primárne za to dostal v roku 1921 Nobelovu cenu za fyziku.

Pokus:

Brúsená zinková platňa, ktorá je na elektroskope, je negatívne nabitá a potom je ožarovaná svetlom ortuťovej výbojky.

Zmenu náboja možno pozorovať z vychýlenia ukazovateľa elektroskopu.

Pozorovanie:

Keď je zinková platňa ožiarená, výchylka ukazovateľa na elektroskope klesá - zinková platňa je tak vybitá:

Tento efekt sa však vyskytuje Nie na kedy

zinková platňa bola kladne nabitá
medzi žiarovkou a zinkovou platňou je sklenená tabuľa
používa sa iný zdroj svetla (napr. sodíková výbojka, žiarovka atď.)

Vysvetlenie:

Keď sa svetlo z ortuťovej výbojky ožaruje, prebytočné elektróny sa uvoľňujú z povrchu zinkovej platne.

To, že sa tento efekt nevyskytuje u iných zdrojov svetla alebo u sklenenej tabule medzi žiarovkou a zinkovou platňou, ktorá absorbuje UV svetlo z ortuťovej žiarovky, ukazuje:

Iba krátkovlnné UV svetlo je schopné uvoľňovať elektróny zo zinkovej platne.

Fotoefekt

Efekt, že svetlo môže uvoľňovať elektróny z povrchu pevných látok, je známy ako Fotoefekt

(alebo po objaviteľovi aj reverb voskový efekt).

Elektróny uvoľnené svetlom sa nazývajú Fotoelektróny.

Náhradné práce

Aby ste mohli uvoľniť elektróny zo zinkovej platne, bolo treba na nich pracovať zamestnanie ktorá môže vychádzať iba zo svetla.

Práca, ktorá je nevyhnutná na uvoľnenie elektrónov, je známa ako Náhradné práce WA.

V takom prípade je možné potrebné odpojovacie práce zjavne vykonať iba krátkovlnným UV svetlom, nie však viditeľným - bez ohľadu na to, aká veľká je intenzita viditeľného svetla.

Prenos energie svetla na elektróny sa v prípade UV žiarenia musí líšiť od viditeľného.

Rozpor s vlnovou teóriou

Skutočnosť, že viditeľné svetlo nie je schopné prenášať potrebnú energiu na elektróny, a to ani pri veľmi vysokej intenzite, je v rozpore s vlnovou teóriou, pretože pri vyššej intenzite svetla by sa tiež malo preniesť viac energie na elektróny.

Vzťah medzi intenzitou a energiou elektromagnetických vĺn

The Intenzita I. elektromagnetické žiarenie je definované ako kvocient z Energia E, v jednom Časový interval Δt na a Oblasť A a súčin tejto oblasti A a čas Δt:

Platí nasledujúce:

Takže to je energie elektromagnetická radiácia úmerné intenzite:

Vyvstáva teda otázka:

Prečo nemôže každý typ vysoko intenzívneho svetla uvoľňovať elektróny zo zinkovej platne?

Aby sme mohli podrobnejšie preskúmať vlastnosti fotoelektrónov uvoľňovaných svetlom, sú zachytené kovovou mriežkou (špirálová elektróda):

Medzi elektródami je možné zistiť napätie. Elektróny sa dostanú ku kovovej mriežke, ktorá je negatívne nabitá.

Vysvetlenie/záver:

Keď sa fotoelektróny dostanú do siete, musia mať po uvoľnení ďalšiu kinetickú energiu. Rovnako ako náhradné práce, aj toto môže vychádzať iba zo svetla.

Stream fotografií

Ak je medzi zinkovú platňu a kovovú mriežku pripojené vysoké napätie niekoľko kV, uvoľnené elektróny sú priťahované k kovovej mriežke a pomocou meracieho zosilňovača ich možno zaznamenať ako prúd.

Prúd vytvorený uvoľnenými elektrónmi (fotoelektróny) je známy ako Fotoprúd.

Ak sa zvýši intenzita svetla, zvyšuje sa fotoprúd - viac elektrónov sa dostane k mriežke.

Fotobunka

Fotobunka je podobná ako v predchádzajúcom experimente:

Fotobunka sa skladá z kovovej vrstvy (používa sa väčšinou cézium), Fotokatóda, z ktorého sa pri pôsobení svetla uvoľňujú elektróny.

Materiál katódy má slabo viazané elektróny, ktoré - na rozdiel od zinkovej platne - sa môžu tiež uvoľňovať viditeľným svetlom.

Kovový prsteň, tzv Krúžková anóda.

Oba sú vo vákuovej trubici, čo uľahčuje únik elektrónov. To znamená, že už nie je potrebné fotokatódu nabíjať záporne.

Ak je fotobunka ožarovaná svetlom, z fotokatódy sa uvoľňujú elektróny, ktoré sa dostávajú na prstencovú anódu.

Ak anóda a katóda nie sú navzájom spojené, časom dôjde k nedostatku elektrónov na katóde, zatiaľ čo prebytok elektrónov sa vytvorí na prstencovej anóde.

Stavia a Napätie medzi anódou a katódou zapnuté: Anódový kruh je nabitý záporne, katóda kladne.

Od čoho závisí napätie medzi anódou a katódou?

Každý uvoľnený elektrón sa pohybuje smerom k čoraz viac negatívne nabitému anódovému kruhu. Existuje teda stále silnejšie elektrické pole, ktoré spomaľuje elektróny. Ak je pole príliš silné, to znamená, že napätie je príliš vysoké, fotoelektróny už nemôžu dosiahnuť anódu - napätie sa potom už nezvyšuje.

Energia, ktorú elektróny potrebujú na prekonanie elektrického poľa medzi katódou a anódou, a teda na dosiahnutie anódy, zodpovedá energii elektrického poľa:

Kinetická energia elektrónov musí preto minimálne zodpovedať tejto energii, aby sa dosiahla anóda.

Čím vyššia je kinetická energia najrýchlejších fotoelektrónov, tým väčšie je napätie.

Ak napätie ďalej nestúpa, znamená to, že žiadny elektrón nemá dostatok energie na to, aby sa dostal k anóde.

The najrýchlejšie fotoelektróny potom majú presne tú energiu

Poznámka: Nie všetky uvoľnené elektróny majú rovnakú energiu - táto energia zodpovedá energii najrýchlejších elektrónov.

Pomocou vyššie uvedeného pripojenia možno z napätia ľahko odvodiť energiu najrýchlejších fotoelektrónov.

Ak experiment zopakujete s rôznymi farbami svetla, ukázalo sa:

Napätie závisí od farby svetla:

Čím vyššia je frekvencia použitého svetla, tým väčšie je napätie.

Toto spojenie potvrdzuje poznatky z predchádzajúcich experimentov:

Svetlo menších vlnových dĺžok môže evidentne prenášať viac energie na elektróny ako svetlo dlhších vlnových dĺžok - bez ohľadu na intenzitu svetla!

Koľko energie dostanú elektróny zo svetla a od čoho to závisí?

Aby bolo možné určiť energiu najrýchlejších fotoelektrónov, bolo by potrebné merať napätie, ktoré sa vytvorí, keď je fotoelektrický článok vystavený svetlu. Potom bolo možné vypočítať energiu fotoelektrónov s vyššie uvedeným vzťahom.

Pri určovaní tohto napätia však nastáva problém:

Aj keď má voltmetr vysoký vnútorný odpor, niektoré elektróny stále prúdia cez voltmetr - a teda z anódy na katódu. To ale znižuje napätie, ktoré sa má merať.

Pretože počet elektrónov je obmedzený (fotoprúd je veľmi malý; pohybuje sa v rozmedzí niekoľkých nA), významne by sme ovplyvnili veličinu, ktorá sa má merať samotným procesom merania.

Z tohto dôvodu sa na stanovenie maximálnej energie fotoelektrónov používa iná metóda, tzv. Metóda opačného poľa.