Фотоефект - взаємодія між світлом і речовиною

Фотоефект був відкритий Генріхом Герцем в 1887 р. І подальшим дослідженням Вільгельма Холвахса, одного з його учнів, та Філіпа Ленарда.

Правильна інтерпретація фотоефекту, однак, вдалася Альберту Ейнштейну лише в одній з його робіт з 1905 р. Саме за це він отримав Нобелівську премію з фізики в 1921 р.

Спроба:

Відшліфована цинкова пластина, яка знаходиться на електроскопі, негативно заряджається, а потім опромінюється світлом лампи з ртутними парами.

Зміна заряду можна спостерігати за відхиленням вказівника електроскопа.

Спостереження:

При опроміненні цинкової пластини відхилення вказівника на електроскопі зменшується - цинкова пластина таким чином розряджається:

Однак цей ефект має місце Ні на коли

цинкова пластина була заряджена позитивно
між лампою та цинковою пластиною є скло
використовується інше джерело світла (наприклад, лампа натрієвої пари, лампа розжарювання тощо)

Пояснення:

При опроміненні світла від лампи з ртутними парами надлишки електронів вивільняються з поверхні цинкової пластини.

Те, що цей ефект не виникає з іншими джерелами світла або зі скляною панеллю між лампою та цинковою пластиною, яка поглинає УФ-світло від ртутної лампи, свідчить:

Тільки короткохвильове УФ-світло здатне вивільняти електрони з цинкової пластини.

Фотоефект

Ефект, який світло може вивільняти з поверхні твердих тіл, відомий як Фотоефект

(або після того, як першовідкривач також ревербує ефект воску).

Електрони, що виділяються світлом, називаються Фотоелектрони.

Заміна роботи

Для того, щоб вивільнити електрони з цинкової пластини, вам довелося попрацювати над ними робота який може виходити лише від світла.

Робота, необхідна для вивільнення електронів, відома як Заміна роботи WA.

У цьому випадку необхідні роботи по від'єднанню, очевидно, можна виконувати лише короткохвильовим УФ-світлом, але не видимим світлом - незалежно від того, наскільки великою є інтенсивність видимого світла.

Передача енергії світла електронам повинна відрізнятися від видимого світла у випадку УФ-світла.

Суперечність теорії хвиль

Той факт, що видиме світло не здатне передати необхідну енергію електронам навіть при дуже високій інтенсивності, суперечить теорії хвиль, оскільки при більшій інтенсивності світла більше енергії також повинно передаватися електронам.

Зв'язок між інтенсивністю та енергією електромагнітних хвиль

Інтенсивність I. електромагнітне випромінювання визначається як коефіцієнт Енергія Е, в одному Інтервал часу Δt на Площа А падає, а добуток цієї площі A і час Δt:

Застосовується наступне:

Отже, це так енергія електромагнітне випромінювання пропорційна інтенсивності:

Тож виникає питання:

Чому не може кожен тип високоінтенсивного світла випускати електрони з цинкової пластини?

Для більш детального вивчення властивостей фотоелектронів, що випускаються світлом, їх ловлять металевою сіткою (спіральним електродом):

Між електродами можна виявити напругу. Електрони досягають металевої сітки, яка заряджена негативно.

Пояснення/висновок:

Коли фотоелектрони потрапляють до сітки, вони повинні мати додаткову кінетичну енергію після вивільнення. Як і роботи із заміни, це може виходити лише від світла.

Фотопотік

Якщо між цинковою пластиною і металевою сіткою подається висока напруга в кілька кВ, виділені електрони притягуються до металевої сітки і можуть бути записані як струм за допомогою вимірювального підсилювача.

Струм, що створюється вивільненими електронами (фотоелектронами), відомий як Потік фотографій.

Якщо інтенсивність світла збільшується, фотострум збільшується - більше електронів досягає сітки.

Фотоелемент

Фотоелемент схожий на попередній експеримент:

Фотоелемент складається з металевого шару (в основному використовується цезій), Фотокатод, з якого електрони виділяються під впливом світла.

Матеріал катода має слабо зв’язані електрони, які - на відміну від цинкової пластини - також можуть виділятися з видимим світлом.

Металеве кільце, т. Зв Кільцевий анод.

Обидва вони знаходяться у вакуумній трубці, що полегшує вихід електронів. Це означає, що більше не потрібно негативно заряджати фотокатод.

Якщо фотоелемент опромінюється світлом, електрони вивільняються з фотокатода і досягають кільцевого анода.

Якщо анод і катод не з’єднані між собою, з часом на катоді буде бракувати електронів, тоді як на кільцевому аноді буде розвиватися надлишок електронів.

Це будує a Напруга між анодом і катодом увімкнено: анодне кільце заряджене негативно, катод позитивно.

Від чого залежить напруга між анодом і катодом?

Кожен вивільнений електрон рухається до дедалі негативніше зарядженого анодного кільця. Тож існує дедалі сильніше електричне поле, яке сповільнює електрони. Якщо поле занадто сильне, тобто напруга занадто висока, фотоелектрони вже не можуть досягти анода - напруга тоді більше не збільшується.

Енергія, необхідна електронам, щоб подолати електричне поле між катодом і анодом і таким чином досягти анода, відповідає енергії електричного поля:

Тому кінетична енергія електронів повинна принаймні відповідати цій енергії, щоб досягти анода.

Чим більша кінетична енергія найшвидших фотоелектронів, тим більша напруга.

Якщо напруга не зростає далі, це означає, що жоден електрон не має достатньо енергії, щоб дістатися до анода.

найшвидші фотоелектрони тоді мати саме енергію

Примітка: Не всі вивільнені електрони мають однакову енергію - ця енергія відповідає енергії найшвидших електронів.

Завдяки наведеному вище з'єднанню можна легко вивести енергію найшвидших фотоелектронів з напруги.

Якщо повторити експеримент з різними світлими кольорами, вийде:

Напруга залежить від кольору світла:

Чим більша частота використовуваного світла, тим більша напруга.

Цей зв’язок підтверджує знання з попередніх експериментів:

Світло менших довжин хвиль, очевидно, може передати більше енергії електронам, ніж світло довших хвиль - незалежно від інтенсивності світла!

Скільки енергії отримують електрони від світла і від чого це залежить?

Для того, щоб визначити енергію найшвидших фотоелектронів, слід було б виміряти напругу, яка встановлюється, коли фотоелемент піддається впливу світла. Тоді енергію фотоелектронів можна було розрахувати за вищезгаданою залежністю.

Однак існує проблема з визначенням цієї напруги:

Навіть якщо вольтметр має високий внутрішній опір, деякі електрони все одно протікають через вольтметр - і, отже, від анода до катода. Але це зменшує вимірювану напругу.

Оскільки кількість електронів обмежена (фотострум дуже малий; він знаходиться в діапазоні декількох нА), ми мали б істотний вплив на величину, яку слід виміряти, через сам процес вимірювання.

З цієї причини для визначення максимальної енергії фотоелектронів використовується так званий. Метод протилежного поля.