Фотоефектът - взаимодействие между светлина и материя

Фотоефектът е открит от Хайнрих Херц през 1887 г. и допълнително разследван от Вилхелм Холвахс, един от неговите ученици, и Филип Ленард.

Правилната интерпретация на фотоефекта обаче успя само Алберт Айнщайн в една от неговите творби от 1905 г. Именно за това той получи Нобелова награда за физика през 1921 г.

Опит:

Шлифована цинкова плоча, която е на електроскоп, се зарежда отрицателно и след това се облъчва със светлината на лампа с живачни пари.

Промяна в заряда може да се наблюдава от отклонението на показалеца на електроскопа.

Наблюдение:

Когато цинковата плоча е облъчена, деформацията на показалеца на електроскопа намалява - цинковата плоча по този начин се разрежда:

Този ефект обаче настъпва Не на кога

цинковата плоча е заредена положително
между лампата и цинковата плоча има стъкло
използва се друг източник на светлина (например лампа с натриева пара, лампа с нажежаема жичка и др.)

Обяснение:

Излишните електрони се освобождават от повърхността на цинковата плоча при излагане на светлината на лампата с живачни пари.

Това, че този ефект не се проявява при други източници на светлина или при стъкло между лампата и цинковата плоча, която абсорбира UV светлината от живачната лампа, показва:

Само късовълновата UV светлина е в състояние да освободи електрони от цинковата плоча.

Фото ефект

Ефектът, че светлината може да освободи електрони от повърхността на твърдите вещества е известен като Фото ефект

(или след откривателя също ревербира ефекта на восък).

Електроните, освободени от светлината, се наричат Фотоелектрони.

Работата по подмяната

За да се освободят електрони от цинковата плоча, трябваше да се работи върху тях работа което може да дойде само от светлината.

Работата, която е необходима за освобождаване на електрони, е известна като Замяна на работа WA.

В този случай необходимата работа по отделяне очевидно може да се извърши само с ултравиолетова светлина с къси вълни, но не и с видима светлина - независимо колко голяма е интензивността на видимата светлина.

Преносът на енергия на светлината към електроните трябва да се различава от видимата светлина в случай на UV светлина.

Противоречие с теорията на вълните

Фактът, че видимата светлина не е в състояние да прехвърли необходимата енергия към електроните, дори при много висока интензивност, противоречи на теорията на вълните, тъй като при по-голяма интензивност на светлината трябва да се прехвърли повече енергия към електроните.

Връзка между интензивността и енергията на електромагнитните вълни

The Интензивност I. електромагнитното излъчване се определя като част от Енергия Е, в едно Интервал от време Δt на Зона А и произведението от тази област A и времето Δt:

Прилага се следното:

Това е така енергия електромагнитно излъчване пропорционално на интензивността:

Така възниква въпросът:

Защо не може всеки тип електрони с висока интензивност да отделят светлина от цинковата плоча?

За да се изследват по-подробно свойствата на фотоелектроните, освободени от светлината, те се улавят с метална решетка (спирален електрод):

Между електродите може да се открие напрежение. Електроните достигат до металната решетка, която е заредена отрицателно.

Обяснение/заключение:

Когато фотоелектроните стигнат до мрежата, те трябва да имат допълнителна кинетична енергия, след като бъдат освободени. Подобно на работата по подмяна, това може да идва само от светлината.

Потокът от снимки

Ако се приложи високо напрежение от няколко kV между цинковата плоча и металната решетка, освободените електрони се привличат към металната решетка и могат да бъдат записани като ток с помощта на измервателен усилвател.

Токът, създаден от освободените електрони (фотоелектрони) е известен като Поток от снимки.

Ако интензивността на светлината се увеличи, фототокът се увеличава - повече електрони достигат до мрежата.

Фотоклетката

Фотоклетката е подобна на предишния експеримент:

Фотоклетката се състои от метален слой (използва се предимно цезий), Фотокатод, от които електроните се освобождават при излагане на светлина.

Катодният материал има слабо свързани електрони, които - за разлика от цинковата плоча - също могат да бъдат освободени с видима светлина.

Метален пръстен, т.нар Пръстен анод.

И двете са във вакуумна тръба, което улеснява излизането на електроните. Това означава, че вече не е необходимо да зареждате фотокатода отрицателно.

Ако фотоклетката е облъчена със светлина, електроните се освобождават от фотокатода и достигат пръстеновидния анод.

Ако анодът и катодът не са свързани помежду си, с течение на времето ще има липса на електрони на катода, докато на пръстеновидния анод ще се развие излишък от електрони.

Той изгражда a Напрежение между анода и катода включено: Анодният пръстен се зарежда отрицателно, катодът - положително.

От какво зависи напрежението между анода и катода?

Всеки освободен електрон се движи към все по-отрицателно заредения аноден пръстен. Така че има все по-силно електрическо поле, което забавя електроните. Ако полето е твърде силно, т.е.напрежението е твърде високо, фотоелектроните вече не могат да достигнат анода - тогава напрежението вече не се увеличава.

Енергията, необходима на електроните, за да преодолеят електрическото поле между катода и анода и по този начин да достигнат анода, съответства на енергията на електрическото поле:

Следователно кинетичната енергия на електроните трябва поне да съответства на тази енергия, за да достигне анода.

Колкото по-голяма е кинетичната енергия на най-бързите фотоелектрони, толкова по-голямо е напрежението.

Ако напрежението не се увеличи допълнително, това означава, че нито един електрон няма достатъчно енергия, за да достигне анода.

The най-бързите фотоелектрони тогава имаме точно енергията

Забележка: Не всички освободени електрони имат еднаква енергия - тази енергия съответства на енергията на най-бързите електрони.

С горното Човек може лесно да направи заключение за енергията на най-бързите фотоелектрони от напрежението.

Ако повторите експеримента с различни светли цветове, се оказва:

Напрежението зависи от цвета на светлината:

Колкото по-голяма е честотата на използваната светлина, толкова по-голямо е напрежението.

Тази връзка потвърждава знанията от предишните експерименти:

Светлината с по-малки дължини на вълната очевидно може да прехвърля повече енергия към електроните, отколкото светлината с по-дълги вълни - независимо от интензивността на светлината!

Колко енергия получават електроните от светлината и от какво зависи това?

За да се определи енергията на най-бързите фотоелектрони, следователно трябва да се измери напрежението, което се установява, когато фотоелектрическата клетка е изложена на светлина. След това с гореспоменатите Изчислете връзката между енергията на фотоелектроните.

Има обаче проблем с определянето на това напрежение:

Дори ако волтметърът има високо вътрешно съпротивление, някои електрони все още преминават през волтметъра - и по този начин от анода към катода. Но това намалява напрежението, което трябва да се измери.

Тъй като броят на електроните е ограничен (фототокът е много малък; той е в диапазона от няколко nA), ние бихме повлияли значително на количеството, което трябва да се измери чрез самия процес на измерване.

По тази причина се използва друг метод за определяне на максималната енергия на фотоелектроните, т.нар. Метод на противоположното поле.