Efectul foto - interacțiunea dintre lumină și materie
Efectul foto - interacțiunea dintre lumină și materie
Efectul foto a fost descoperit de Heinrich Hertz în 1887 și investigat în continuare de Wilhelm Hallwachs, unul dintre studenții săi, și de Philip Lenard.
Interpretarea corectă a efectului foto a reușit-o doar pe Albert Einstein într-una din lucrările sale din 1905. În primul rând pentru aceasta a primit Premiul Nobel pentru fizică în 1921.
Atentat, încercare:
O placă de zinc șlefuită, care se află pe un electroscop, este încărcată negativ și apoi iradiată cu lumina unei lămpi cu vapori de mercur.
O schimbare a încărcării poate fi observată de la devierea indicatorului electroscopului.
Observare:
Când placa de zinc este iradiată, devierea indicatorului de pe electroscop scade - placa de zinc este astfel descărcată:
Acest efect apare totuși Nu pe când
- placa de zinc a fost încărcată pozitiv
- există un geam de sticlă între lampă și placa de zinc
- se utilizează o altă sursă de lumină (de exemplu, lampă cu vapori de sodiu, lampă incandescentă etc.)
Explicaţie:
Excesul de electroni este eliberat de pe suprafața plăcii de zinc prin expunerea la lumina lămpii cu vapori de mercur.
Faptul că acest efect nu are loc cu alte surse de lumină sau cu un geam între lampă și placa de zinc, care absoarbe lumina UV din lampa cu mercur, arată:
Doar lumina UV cu unde scurte este capabilă să elibereze electroni de pe placa de zinc.
Efect foto
Efectul că lumina poate elibera electroni de pe suprafața solidelor este cunoscut sub numele de Efect foto
(sau după ce descoperitorul are și efect de ceară de reverb).
Se numesc electronii eliberați de lumină Fotoelectroni.
Lucrarea de înlocuire
Pentru a elibera electroni de pe placa de zinc, trebuia să lucrați la ei loc de munca care nu poate veni decât din lumină.
Lucrarea necesară pentru eliberarea electronilor este cunoscută sub numele de Lucrări de înlocuire WA.
În acest caz, lucrarea de detașare necesară poate fi realizată în mod evident numai de lumina UV cu unde scurte, dar nu de lumina vizibilă - indiferent de cât de mare este intensitatea luminii vizibile.
Transferul de energie al luminii către electroni trebuie să difere de lumina vizibilă în cazul luminii UV.
Contradicția față de teoria undelor
Faptul că lumina vizibilă nu este capabilă să transfere energia necesară către electroni, chiar și la intensitate foarte mare, contrazice teoria undelor, deoarece, cu o intensitate a luminii mai mare, ar trebui transferată mai multă energie către electroni.
Relația dintre intensitatea și energia undelor electromagnetice
Intensitatea I. radiația electromagnetică este definită ca coeficientul Energie E, cea într-una Interval de timp Δt pe o Zona A și produsul acestei zone A și timpul Δt:
Se aplică următoarele:
Deci asta este energie radiatie electromagnetica proporțional cu intensitatea:
Deci, apare întrebarea:
De ce orice fel de lumină de înaltă intensitate nu poate elibera electroni de pe placa de zinc?
Pentru a examina mai detaliat proprietățile fotoelectronilor eliberați de lumină, acestea sunt capturate cu o rețea metalică (electrod spiralat):
O tensiune poate fi detectată între electrozi. Electronii ajung la rețeaua metalică, care este încărcată negativ.
Explicație/concluzie:
Când fotoelectronii ajung la rețea, trebuie să aibă energie cinetică suplimentară după ce au fost eliberați. La fel ca lucrarea de înlocuire, aceasta poate veni doar din lumină.
Fluxul foto
Dacă se aplică o tensiune înaltă de câțiva kV între placa de zinc și rețeaua metalică, electronii eliberați sunt atrași de rețeaua metalică și pot fi înregistrați ca un curent cu ajutorul unui amplificator de măsurare.
Curentul creat de electronii eliberați (fotoelectroni) este cunoscut sub numele de Flux foto.
Dacă intensitatea luminii crește, fotocurentul crește - mai mulți electroni ajung la rețea.
Fotocelulă
O fotocelula este similară cu experimentul anterior:
O fotocelula este formată dintr-un strat metalic (în principal se utilizează cesiu), Fotocatod, din care electronii sunt eliberați atunci când sunt expuși la lumină.
Materialul catodic are electroni slab legați, care - spre deosebire de placa de zinc - pot fi eliberați și cu lumină vizibilă.
Un inel metalic, așa-numitul Anod inelar.
Ambele sunt într-un tub de vid, ceea ce face mai ușor evacuarea electronilor. Aceasta înseamnă că nu mai este necesar să încărcați fotocatoda negativ.
Dacă fotocelula este iradiată cu lumină, electronii sunt eliberați din fotocatod și ajung în anodul inelar.
Dacă anodul și catodul nu sunt conectați între ei, în timp va exista o lipsă de electroni pe catod, în timp ce un exces de electroni se va dezvolta pe anodul inelar.
Construiește un Tensiunea dintre anod și catod pe: Inelul anodic este încărcat negativ, catodul pozitiv.
De ce depinde tensiunea dintre anod și catod?
Fiecare electron eliberat se deplasează spre un inel anodic din ce în ce mai încărcat negativ. Deci, există un câmp electric din ce în ce mai puternic, care încetinește electronii. Dacă câmpul este prea puternic, adică tensiunea este prea mare, fotoelectronii nu mai pot ajunge la anod - tensiunea nu mai crește.
Energia de care au nevoie electronii pentru a depăși câmpul electric dintre catod și anod și astfel ajunge la anod corespunde energiei câmpului electric:
Prin urmare, energia cinetică a electronilor trebuie să corespundă cel puțin acestei energii pentru a ajunge la anod.
Cu cât este mai mare energia cinetică a celor mai rapizi fotoelectroni, cu atât este mai mare tensiunea.
Dacă tensiunea nu crește mai mult, aceasta înseamnă că niciun electron nu are suficientă energie pentru a ajunge la anod.
fotoelectronii cei mai rapizi atunci să ai exact energia
.
Notă: Nu toți electronii eliberați au aceeași energie - această energie corespunde energiei celor mai rapizi electroni.
Cu cele de mai sus Se poate deduce cu ușurință energia celor mai rapizi fotoelectroni din tensiune.
Dacă repetați experimentul cu diferite culori deschise, se dovedește:
Tensiunea depinde de culoarea luminii:
Cu cât frecvența luminii utilizate este mai mare, cu atât este mai mare tensiunea.
Această conexiune confirmă cunoștințele din experimentele anterioare:
Lumina cu lungime de undă mai mică poate transfera în mod evident mai multă energie către electroni decât lumina cu lungimi de undă mai mari - indiferent de intensitatea luminii!
Câtă energie primesc electronii de la lumină și de ce depinde asta?
Pentru a determina energia celor mai rapizi fotoelectroni, ar trebui deci să măsurăm tensiunea stabilită atunci când celula fotoelectrică este expusă la lumină. Apoi cu cele menționate mai sus Calculați relația dintre energia fotoelectronilor.
Cu toate acestea, există o problemă cu determinarea acestei tensiuni:
Chiar dacă un voltmetru are o rezistență internă ridicată, unii electroni continuă să curgă prin voltmetru - și astfel de la anod la catod. Dar aceasta reduce tensiunea de măsurat.
Deoarece numărul de electroni este limitat (fotocurentul este foarte mic; este în intervalul câtorva nA), am influența semnificativ cantitatea care trebuie măsurată prin procesul de măsurare în sine.
Din acest motiv, o altă metodă este utilizată pentru a determina energia maximă a fotoelectronilor, așa-numitul. Metoda câmpului opus.