Studimi i efektit fotoelektrik. Vetitë kuantike të dritës

Hyrje

1. Historia e zbulimit të efektit fotoelektrik

2. Ligjet e Stoletov

3. Ekuacioni i Ajnshtajnit

4. Efekti i brendshëm fotoelektrik

5. Zbatimi i dukurisë së efektit fotoelektrik

Referencat

Hyrje

Fenomene të shumta optike u shpjeguan vazhdimisht bazuar në idetë rreth natyrës valore të dritës. Sidoqoftë, në fund të shekullit të 19-të - fillimi i shekullit të 20-të. U zbuluan dhe u studiuan fenomene të tilla si efekti fotoelektrik, rrezatimi me rreze X, efekti Compton, rrezatimi i atomeve dhe molekulave, rrezatimi termik dhe të tjera, shpjegimi i të cilave nga pikëpamja valore doli të ishte i pamundur. Një shpjegim i fakteve të reja eksperimentale u mor në bazë të ideve korpuskulare rreth natyrës së dritës. Një situatë paradoksale u ngrit në lidhje me përdorimin e modeleve fizike krejtësisht të kundërta të valëve dhe grimcave për të shpjeguar fenomenet optike. Në disa dukuri, drita shfaqi veti valore, në të tjera - veti korpuskulare.

Ndër dukuritë e ndryshme në të cilat manifestohet efekti i dritës në materie, një vend të rëndësishëm zë efekt fotoelektrik, pra emetimi i elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës. Analiza e këtij fenomeni çoi në idenë e kuanteve të dritës dhe luajti një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në zhvillimin e koncepteve teorike moderne. Në të njëjtën kohë, efekti fotoelektrik përdoret në fotocelat, të cilat kanë marrë aplikim jashtëzakonisht të gjerë në fusha të ndryshme të shkencës dhe teknologjisë dhe premtojnë perspektiva edhe më të pasura.

1. Historia e zbulimit të efektit fotoelektrik

Zbulimi i efektit fotoelektrik duhet t'i atribuohet vitit 1887, kur Hertz zbuloi se ndriçimi i elektrodave të një hendeku të ndezur të ndezjes me dritë ultravjollcë lehtëson kalimin e një shkëndije midis tyre.

Fenomeni i zbuluar nga Hertz mund të vërehet në eksperimentin e mëposhtëm lehtësisht të realizueshëm (Fig. 1).

Madhësia e hendekut të shkëndijës F zgjidhet në atë mënyrë që në një qark të përbërë nga një transformator T dhe një kondensator C, një shkëndijë rrëshqet me vështirësi (një ose dy herë në minutë). Nëse elektrodat F, të bëra nga zink i pastër, ndriçohen me dritën e një llambë merkuri Hg, atëherë shkarkimi i kondensatorit lehtësohet shumë: një shkëndijë fillon të kërcejë Fig. 1. Skema e eksperimentit të Hercit.

Efekti fotoelektrik u shpjegua në 1905 nga Albert Ajnshtajni (për të cilin ai mori çmimin Nobel në 1921) bazuar në hipotezën e Max Planck për natyrën kuantike të dritës. Puna e Ajnshtajnit përmbante një hipotezë të re të rëndësishme - nëse Planck sugjeroi që drita emetohet vetëm në pjesë të kuantizuara, atëherë Ajnshtajni tashmë besonte se drita ekziston vetëm në formën e pjesëve kuantike. Nga ideja e dritës si grimca (fotone), formula e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik rrjedh menjëherë:

Kjo formulë nënkupton ekzistencën e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik. Kështu, hulumtimi në efektin fotoelektrik ishte një nga studimet e para mekanike kuantike.

2. Ligjet e Stoletov

Për herë të parë (1888-1890), duke analizuar në detaje fenomenin e efektit fotoelektrik, fizikani rus A.G. Stoletov mori rezultate thelbësisht të rëndësishme. Ndryshe nga studiuesit e mëparshëm, ai mori një ndryshim të vogël potencial midis elektrodave. Skema e eksperimentit të Stoletov është paraqitur në Fig. 2.

Dy elektroda (njëra në formën e një rrjeti, tjetra - e sheshtë), të vendosura në vakum, janë ngjitur në bateri. Një ampermetër i lidhur me qark përdoret për të matur rrymën që rezulton. Duke rrezatuar katodën me dritë me gjatësi vale të ndryshme, Stoletov arriti në përfundimin se rrezet ultravjollcë kishin efektin më efektiv. Për më tepër, u zbulua se forca e rrymës së gjeneruar nga drita është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e saj.

Në 1898, Lenard dhe Thomson, duke përdorur metodën e devijimit të ngarkesave në fushat elektrike dhe magnetike, përcaktuan ngarkesën specifike të grimcave të ngarkuara të nxjerra nga Fig. 2. Skema e eksperimentit të Stoletov.

dritë nga katoda dhe mori shprehjen

Duke përmbledhur rezultatet e marra, u vërtetuan si më poshtë modele fotoefekt:

1. Me një përbërje konstante spektrale të dritës, forca e fotorrymës së ngopjes është drejtpërdrejt proporcionale me fluksin e dritës që ka rënë në katodë.

2. Energjia kinetike fillestare e elektroneve të nxjerra nga drita rritet në mënyrë lineare me rritjen e frekuencës së dritës dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

3. Efekti fotoelektrik nuk ndodh nëse frekuenca e dritës është më e vogël se një vlerë e caktuar karakteristike e secilit metal

Rregullsia e parë e efektit fotoelektrik, si dhe shfaqja e vetë efektit fotoelektrik, mund të shpjegohen lehtësisht bazuar në ligjet e fizikës klasike. Në të vërtetë, fusha e dritës, duke vepruar në elektronet brenda metalit, ngacmon dridhjet e tyre. Amplituda e lëkundjeve të detyruara mund të arrijë një vlerë të tillë në të cilën elektronet largohen nga metali; atëherë vërehet efekti fotoelektrik.

Për shkak të faktit se, sipas teorisë klasike, intensiteti i dritës është drejtpërdrejt proporcional me katrorin e vektorit elektrik, numri i elektroneve të nxjerra rritet me rritjen e intensitetit të dritës.

Ligjet e dytë dhe të tretë të efektit fotoelektrik nuk shpjegohen nga ligjet e fizikës klasike.

Duke studiuar varësinë e fotorrymës (Fig. 3), e cila lind kur një metal rrezatohet nga një rrymë drite monokromatike, nga ndryshimi i potencialit midis elektrodave (kjo varësi zakonisht quhet karakteristika volt-amper e fotorrymës), ai u konstatua se: 1) fotorryma lind jo vetëm kur

potenciali varet nga frekuenca e dritës rënëse; fotorrymë

8) shpejtësia e elektroneve të nxjerra nën ndikimin e dritës nuk varet nga intensiteti i dritës, por varet vetëm nga frekuenca e saj.

3. ekuacioni i Ajnshtajnit

Fenomeni i efektit fotoelektrik dhe të gjitha ligjet e tij shpjegohen mirë duke përdorur teorinë kuantike të dritës, e cila konfirmon natyrën kuantike të dritës.

Siç u përmend tashmë, Ajnshtajni (1905), duke zhvilluar teorinë kuantike të Planck-ut, parashtroi idenë se jo vetëm rrezatimi dhe thithja, por edhe përhapja e dritës ndodh në pjesë (kuanta), energjia dhe momenti i të cilave.

Efekti fotoelektrik u zbulua në 1887 nga fizikani gjerman G. Hertz dhe u studiua eksperimentalisht nga A. G. Stoletov në 1888-1890. Studimi më i plotë i fenomenit të efektit fotoelektrik u krye nga F. Lenard në vitin 1900. Në këtë kohë, elektroni ishte zbuluar tashmë (1897, J. Thomson), dhe u bë e qartë se efekti fotoelektrik (ose më shumë pikërisht, efekti i jashtëm fotoelektrik) konsiston në nxjerrjen e elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës që bie mbi të.

Diagrami i konfigurimit eksperimental për studimin e efektit fotoelektrik është paraqitur në Fig. 5.2.1.

Eksperimentet përdorën një shishe qelqi me vakum me dy elektroda metalike, sipërfaqja e së cilës u pastrua tërësisht. Njëfarë tensioni u aplikua në elektroda U, polariteti i të cilit mund të ndryshohet duke përdorur një çelës të dyfishtë. Njëra prej elektrodave (katoda K) u ndriçua përmes një dritareje kuarci me dritë monokromatike me një gjatësi vale të caktuar λ. Me një fluks të vazhdueshëm ndriçues, u mor varësia e forcës së fotorrymës I nga tensioni i aplikuar. Në Fig. Figura 5.2.2 tregon kthesa tipike të një varësie të tillë, të marra në dy vlera të intensitetit të fluksit të dritës që bie në katodë.

Lakoret tregojnë se në tensione mjaft të mëdha pozitive në anodin A, fotorryma arrin ngopjen, pasi të gjitha elektronet e nxjerra nga katoda nga drita arrijnë në anodë. Matjet e kujdesshme treguan se rryma e ngopjes I n është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e dritës rënëse. Kur voltazhi në anodë është negativ, fusha elektrike midis katodës dhe anodës pengon elektronet. Vetëm ato elektrone, energjia kinetike e të cilëve tejkalon | eU|. Nëse tensioni i anodës është më i vogël se - U h, fotorryma ndalon. Matja U h, ne mund të përcaktojmë energjinë kinetike maksimale të fotoelektroneve:

Për habinë e shkencëtarëve, vlera U h rezultoi të ishte e pavarur nga intensiteti i fluksit të dritës rënëse. Matjet e kujdesshme kanë treguar se potenciali bllokues rritet në mënyrë lineare me rritjen e frekuencës ν të dritës (Fig. 5.2.3).

Eksperimentues të shumtë kanë vendosur parimet themelore të mëposhtme të efektit fotoelektrik:

1. Energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me rritjen e frekuencës së dritës ν dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

2. Për çdo substancë ekziston një i ashtuquajtur kufiri i efektit të fotos së kuqe , pra frekuenca më e ulët ν min në të cilën efekti i jashtëm fotoelektrik është ende i mundur.

3. Numri i fotoelektroneve të emetuara nga drita nga katoda në 1 s është drejtpërdrejt proporcional me intensitetin e dritës.

4. Efekti fotoelektrik është praktikisht pa inerci, fotorryma shfaqet menjëherë pas fillimit të ndriçimit të katodës, me kusht që frekuenca e dritës ν > ν min.

Të gjitha këto ligje të efektit fotoelektrik kundërshtuan rrënjësisht idetë e fizikës klasike për ndërveprimin e dritës me lëndën. Sipas koncepteve të valës, kur bashkëvepron me një valë drite elektromagnetike, një elektron do të grumbullonte gradualisht energji dhe do të duhej një sasi e konsiderueshme kohe, në varësi të intensitetit të dritës, që elektroni të grumbullonte energji të mjaftueshme për të fluturuar jashtë katodë. Siç tregojnë llogaritjet, kjo kohë duhet të llogaritet në minuta ose orë. Sidoqoftë, përvoja tregon se fotoelektronet shfaqen menjëherë pas fillimit të ndriçimit të katodës. Në këtë model ishte gjithashtu e pamundur të kuptohej ekzistenca e kufirit të kuq të efektit fotoelektrik. Teoria valore e dritës nuk mund të shpjegonte pavarësinë e energjisë së fotoelektroneve nga intensiteti i fluksit të dritës dhe proporcionaliteti i energjisë maksimale kinetike me frekuencën e dritës.

Kështu, teoria elektromagnetike e dritës nuk ishte në gjendje të shpjegonte këto modele.

Zgjidhja u gjet nga A. Ajnshtajni në vitin 1905. Një shpjegim teorik i ligjeve të vëzhguara të efektit fotoelektrik u dha nga Ajnshtajni në bazë të hipotezës së M. Planck se drita emetohet dhe përthithet në pjesë të caktuara, dhe energjia e secilit prej tyre. pjesa përcaktohet nga formula E = hν, ku h- Konstante e Planck-ut. Ajnshtajni hodhi hapin tjetër në zhvillimin e koncepteve kuantike. Ai arriti në përfundimin se drita ka një strukturë të ndërprerë (diskrete).. Një valë elektromagnetike përbëhet nga pjesë të veçanta - kuante, i quajtur më vonë fotone. Kur bashkëvepron me materien, një foton transferon plotësisht të gjithë energjinë e tij hν një elektron. Elektroni mund të shpërndajë një pjesë të kësaj energjie gjatë përplasjeve me atomet e materies. Përveç kësaj, një pjesë e energjisë së elektronit shpenzohet për tejkalimin e pengesës së mundshme në ndërfaqen metal-vakum. Për ta bërë këtë, elektroni duhet të bëjë funksioni i punës A , në varësi të vetive të materialit katodik. Energjia kinetike maksimale që mund të ketë një fotoelektron i emetuar nga katoda përcaktohet nga ligji i ruajtjes së energjisë:

Kjo formulë zakonisht quhet Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik .

Duke përdorur ekuacionin e Ajnshtajnit, mund të shpjegohen të gjitha ligjet e efektit të jashtëm fotoelektrik. Ekuacioni i Ajnshtajnit nënkupton një varësi lineare të energjisë maksimale kinetike nga frekuenca dhe pavarësia e intensitetit të dritës, ekzistenca e një kufiri të kuq dhe efekti fotoelektrik pa inerci. Numri total i fotoelektroneve që largohen nga sipërfaqja e katodës në 1 s duhet të jetë proporcional me numrin e fotoneve që bien në sipërfaqe gjatë së njëjtës kohë. Nga kjo rrjedh se rryma e ngopjes duhet të jetë drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e fluksit të dritës.

Siç del nga ekuacioni i Ajnshtajnit, tangjentja e këndit të prirjes së drejtëzës që shpreh varësinë e potencialit bllokues U z nga frekuenca ν (Fig. 5.2.3), e barabartë me raportin e konstantës së Planck-ut h ndaj ngarkesës së elektronit e:

Kjo na lejon të përcaktojmë eksperimentalisht vlerën e konstantës së Planck-ut. Matje të tilla u kryen në vitin 1914 nga R. Millikan dhe dhanë përputhje të mirë me vlerën e gjetur nga Planck. Këto matje bënë të mundur edhe përcaktimin e funksionit të punës A:

Ku c- shpejtësia e dritës, λ cr - gjatësia e valës që korrespondon me kufirin e kuq të efektit fotoelektrik. Shumica e metaleve kanë një funksion pune Aështë disa elektron volt (1 eV = 1,602·10 -19 J). Në fizikën kuantike, elektron volt përdoret shpesh si një njësi energjie. Vlera e konstantës së Plankut, e shprehur në elektron volt për sekondë, është

Ndër metalet, elementët alkali kanë funksionin më të ulët të punës. Për shembull, natriumi A= 1,9 eV, që i përgjigjet kufirit të kuq të efektit fotoelektrik λ cr ≈ 680 nm. Prandaj, komponimet e metaleve alkali përdoren për të krijuar katoda në fotocelat , i projektuar për regjistrimin e dritës së dukshme.

Pra, ligjet e efektit fotoelektrik tregojnë se drita, kur emetohet dhe absorbohet, sillet si një rrymë grimcash të quajtura fotone ose kuantë të lehta .

Energjia e fotonit është

rrjedh se fotoni ka momentum

Kështu, doktrina e dritës, pasi kishte përfunduar një revolucion që zgjati dy shekuj, u kthye përsëri në idetë e grimcave të dritës - korpuskulave.

Por ky nuk ishte një kthim mekanik në teorinë korpuskulare të Njutonit. Në fillim të shekullit të 20-të, u bë e qartë se drita ka një natyrë të dyfishtë. Kur drita përhapet, shfaqen vetitë e saj valore (ndërhyrje, difraksion, polarizim), dhe kur ajo ndërvepron me lëndën, shfaqen vetitë e saj korpuskulare (efekti fotoelektrik). Kjo natyrë e dyfishtë e dritës quhet dualiteti valë-grimcë , për të cilën foli Lomonosov. Më vonë, u zbulua natyra e dyfishtë e elektroneve dhe grimcave të tjera elementare. Fizika klasike nuk mund të sigurojë një model vizual të kombinimit të vetive valore dhe korpuskulare të mikro-objekteve. Lëvizja e mikro-objekteve nuk rregullohet nga ligjet e mekanikës klasike të Njutonit, por nga ligjet e mekanikës kuantike. Teoria e rrezatimit të trupit të zi e zhvilluar nga M. Planck dhe teoria kuantike e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik qëndron në bazën e kësaj shkence moderne.

Ai parashtroi një hipotezë: drita emetohet dhe absorbohet në pjesë të veçanta - kuante (ose fotone). Energjia e çdo fotoni përcaktohet nga formula E= h ν , Ku h - Konstanta e Plankut e barabartë me 6.63. 10 -34 J. s, ν - frekuenca e dritës. Hipoteza e Planck shpjegoi shumë fenomene: në veçanti, fenomenin e efektit fotoelektrik, i zbuluar në 1887 nga shkencëtari gjerman Heinrich Hertz dhe i studiuar eksperimentalisht nga shkencëtari rus A.G. Stoletov.

Efekt fotografik — Ky është fenomeni i emetimit të elektroneve nga një substancë nën ndikimin e dritës.

Si rezultat i hulumtimit, u krijuan tre ligje të efektit fotoelektrik:

1. Forca e rrymës së ngopjes është drejtpërdrejt proporcionale me intensitetin e rrezatimit të dritës që bie në sipërfaqen e trupit.

2. Energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me frekuencën e dritës dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

3. Nëse frekuenca e dritës është më e vogël se një frekuencë minimale e caktuar e përcaktuar për një substancë të caktuar, atëherë efekti fotoelektrik nuk ndodh.

Varësia e fotorrymës nga voltazhi është paraqitur në Figurën 36.

Teoria e efektit fotoelektrik u krijua nga shkencëtari gjerman A. Einstein në vitin 1905. Teoria e Ajnshtajnit bazohet në konceptin e funksionit të punës së elektroneve nga një metal dhe konceptin e rrezatimit kuantik të dritës. Sipas teorisë së Ajnshtajnit, efekti fotoelektrik ka shpjegimin e mëposhtëm: duke thithur një sasi drite, një elektron fiton energji. hv. Kur largohet nga metali, energjia e çdo elektroni zvogëlohet me një sasi të caktuar, e cila quhet funksioni i punës(Ah jashtë). Funksioni i punës është puna e nevojshme për të hequr një elektron nga një metal. Energjia maksimale e elektroneve pas nisjes (nëse nuk ka humbje të tjera) ka formën: mv 2/2 = hv - Një dalje, Ky ekuacion quhet ekuacioni i Ajnshtajnit .

Nëse hν< Por efekti fotoelektrik nuk ndodh. Do të thotë, kufiri i efektit të fotos së kuqe e barabartë me ν min = Një dalje /h

Quhen pajisjet e bazuara në parimin e efektit fotoelektrik elementet e fotografisë. Pajisja më e thjeshtë e tillë është një fotocelë me vakum. Disavantazhet e një fotoceleli të tillë janë: rryma e ulët, ndjeshmëria e ulët ndaj rrezatimit me valë të gjata, vështirësia në prodhim, pamundësia e përdorimit në qarqet e rrymës alternative. Përdoret në fotometri për të matur intensitetin e dritës, shkëlqimin, ndriçimin, në kinema për riprodhimin e zërit, në fototelegrafë dhe fotofona, në kontrollin e proceseve të prodhimit.

Ekzistojnë fotoqeliza gjysmëpërçuese në të cilat, nën ndikimin e dritës, përqendrimi i bartësve të rrymës ndryshon. Ato përdoren në kontrollin automatik të qarqeve elektrike (për shembull, në rrotullat e metrosë), në qarqet e rrymës alternative dhe si rrymë jo e rinovueshme. burime në orë, mikrokalkulatorë, makinat e para diellore janë duke u testuar dhe përdoren në bateritë diellore në satelitët artificialë të Tokës, stacionet automatike ndërplanetare dhe orbitale.

Fenomeni i efektit fotoelektrik lidhet me proceset fotokimike që ndodhin nën ndikimin e dritës në materialet fotografike.

Temat e kodifikuesit të Provimit të Unifikuar të Shtetit: Hipoteza e M. Planck rreth kuanteve, efekti fotoelektrik, eksperimente nga A.G. Stoletov, ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik.

Efekt fotografik- Ky është trokitje e elektroneve nga një substancë nga drita rënëse. Fenomeni i efektit fotoelektrik u zbulua nga Heinrich Hertz në 1887 gjatë eksperimenteve të tij të famshme mbi emetimin e valëve elektromagnetike.
Le të kujtojmë se Hertz përdori një hendek të veçantë shkëndijë (vibrator Hertz) - një shufër e prerë në gjysmë me një palë topa metalikë në skajet e prerjes. Një tension i lartë u aplikua në shufër dhe një shkëndijë kërceu midis topave. Pra, Hertz zbuloi se kur një top i ngarkuar negativisht rrezatohej me dritë ultravjollcë, shkëndija ishte më e lehtë për t'u ndezur.

Hertz, megjithatë, u zhyt në studimin e valëve elektromagnetike dhe nuk e mori parasysh këtë fakt. Një vit më vonë, efekti fotoelektrik u zbulua në mënyrë të pavarur nga fizikani rus Alexander Grigorievich Stoletov. Studimet e kujdesshme eksperimentale të kryera nga Stoletov për dy vjet bënë të mundur formulimin e ligjeve bazë të efektit fotoelektrik.

Eksperimentet e Stoletov

Në eksperimentet e tij të famshme, Stoletov përdori një fotocelë të dizajnit të tij ( FotocelëÇdo pajisje që lejon dikë të vëzhgojë efektin fotoelektrik quhet. Diagrami i tij është paraqitur në Fig. 1.

Oriz. 1. Fotocelë Stoletov

Dy elektroda futen në një balonë qelqi, nga e cila është nxjerrë ajri (në mënyrë që të mos ndërhyjë në rrjedhën e elektroneve): një katodë zinku dhe një anodë. Në katodë dhe anodë aplikohet një tension, vlera e të cilit mund të ndryshohet duke përdorur një potenciometër dhe të matet me një voltmetër.

Tani "minus" aplikohet në katodë, dhe "plus" aplikohet në anodë, por mund të bëhet anasjelltas (dhe ky ndryshim i shenjës është një pjesë thelbësore e eksperimenteve të Stoletov). Tensionit në elektroda i caktohet shenja që aplikohet në anodë (Prandaj, tensioni i aplikuar në elektroda shpesh quhet tensioni i anodës). Në këtë rast, për shembull, voltazhi është pozitiv.

Katoda ndriçohet nga rrezet ultravjollcë përmes një dritareje të veçantë kuarci të bërë në balonë (qelqi thith rrezatimin ultravjollcë, por kuarci e transmeton atë). Rrezatimi ultravjollcë nxjerr elektronet nga katoda, të cilat përshpejtohen nga voltazhi dhe fluturojnë në anodë. Një miliammetër i lidhur me qark regjistron rrymën elektrike. Kjo rrymë quhet fotorrymë, dhe elektronet e rrëzuara që e krijojnë quhen fotoelektrone.

Në eksperimentet e Stoletov, tre sasi mund të ndryshojnë në mënyrë të pavarur: tensioni i anodës, intensiteti i dritës dhe frekuenca e tij.

Varësia e fotorrymës nga voltazhi

Duke ndryshuar madhësinë dhe shenjën e tensionit të anodës, mund të gjurmoni se si ndryshon rryma foto. Grafiku i kësaj marrëdhënieje, i quajtur karakteristikat e fotocelës, treguar në Fig. 2.

Oriz. 2. Karakteristikat e fotocelës

Le të diskutojmë rrjedhën e kurbës që rezulton. Para së gjithash, vërejmë se elektronet fluturojnë nga katoda me shpejtësi dhe drejtime të ndryshme; Le të shënojmë shpejtësinë maksimale që kanë fotoelektronet në kushte eksperimentale.

Nëse voltazhi është negativ dhe i madh në vlerë absolute, atëherë nuk ka fotorrymë. Kjo është e lehtë për t'u kuptuar: fusha elektrike që vepron mbi elektronet nga katoda dhe anoda po frenon (në katodë "plus", në anodë "minus") dhe është aq e madhe sa elektronet nuk janë në gjendje të arrijnë në anodë. Furnizimi fillestar i energjisë kinetike nuk është i mjaftueshëm - elektronet humbasin shpejtësinë e tyre në afrimet në anodë dhe kthehen përsëri në katodë. Energjia kinetike maksimale e elektroneve të emetuara rezulton të jetë më e vogël se moduli i punës në terren kur një elektron lëviz nga katoda në anodë:

Këtu kg është masa e elektronit, C është ngarkesa e tij.

Do të rrisim gradualisht tensionin, d.m.th. lëvizin nga e majta në të djathtë përgjatë boshtit të vlerave negative të largëta.

Në fillim nuk ka ende rrymë, por pika e kthimit të elektroneve po i afrohet gjithnjë e më shumë anodës. Së fundi, kur arrihet tensioni, i cili quhet tension mbajtës, elektronet kthehen mbrapsht në momentin që arrijnë në anodë (me fjalë të tjera, elektronet mbërrijnë në anodë me shpejtësi zero). Ne kemi:

(1)

Kështu, madhësia e tensionit të vonuar lejon që të përcaktohet energjia maksimale kinetike e fotoelektroneve.

Kur voltazhi i vonesës tejkalohet pak, shfaqet një fotorrymë e dobët. Formohet nga elektronet e emetuara me energji maksimale kinetike pothuajse saktësisht përgjatë boshtit të llambës (pra pothuajse pingul me katodën): tani elektronet kanë mjaftueshëm nga kjo energji për të arritur në anodë me një shpejtësi jo zero dhe mbyllin qarkun. Elektronet e mbetura, të cilat kanë shpejtësi më të ulët ose fluturojnë larg anodës, nuk arrijnë në anodë.

Me rritjen e tensionit, rritet fotorryma. Një numër më i madh elektronesh arrijnë në anodë, duke ikur nga katoda në kënde gjithnjë e më të mëdha ndaj boshtit të llambës. Vini re se fotorryma është e pranishme në tension zero!

Kur voltazhi arrin vlera pozitive, fotorryma vazhdon të rritet. Kjo është e kuptueshme: fusha elektrike tani përshpejton elektronet, kështu që një numër në rritje i tyre kanë një shans për të përfunduar në anodë. Megjithatë, jo të gjithë fotoelektronet arrijnë ende në anodë. Për shembull, një elektron i emetuar me shpejtësi maksimale pingul me boshtin e llambës (d.m.th. përgjatë katodës), megjithëse fusha do të kthehet në drejtimin e dëshiruar, nuk do të jetë aq i fortë sa të godasë anodën.

Së fundi, në vlera mjaft të mëdha të tensionit pozitiv, rryma arrin vlerën e saj kufizuese, të quajtur rryma e ngopjes, dhe ndalon së rrituri më tej.

Pse? Fakti është se voltazhi që përshpejton elektronet bëhet aq i lartë sa që anoda kap të gjitha elektronet e rrëzuara nga katoda - në çfarëdo drejtimi dhe me çfarëdo shpejtësie që ata fillojnë të lëvizin. Rrjedhimisht, fotorryma thjesht nuk ka mundësi të mëtejshme për t'u rritur - burimi, si të thuash, është ezauruar.

Ligjet e efektit fotoelektrik

Sasia e rrymës së ngopjes është në thelb numri i elektroneve të rrëzuara nga katoda në një sekondë. Ne do të ndryshojmë intensitetin e dritës pa ndryshuar frekuencën. Përvoja tregon se rryma e ngopjes ndryshon në proporcion me intensitetin e dritës.

Ligji i parë i efektit fotoelektrik. Numri i elektroneve të rrëzuara nga katoda për sekondë është proporcional me intensitetin e rrezatimit që ka rënë në katodë (në frekuencën e tij konstante).

Nuk ka asgjë të papritur në këtë: sa më shumë energji mbart rrezatimi, aq më i dukshëm është rezultati i vëzhguar. Misteret fillojnë më tej.

Do të thotë, do të studiojmë varësinë e energjisë maksimale kinetike të fotoelektroneve nga frekuenca dhe intensiteti i dritës rënëse. Kjo nuk është e vështirë për t'u bërë: në fund të fundit, në bazë të formulës (1), gjetja e energjisë kinetike maksimale të elektroneve të rrëzuara në të vërtetë zbret në matjen e tensionit të vonuar.

Së pari, ne ndryshojmë frekuencën e rrezatimit me një intensitet fiks. Rezultati është një grafik si ky (Fig. 3):

Oriz. 3. Varësia e energjisë fotoelektronike nga frekuenca e dritës

Siç mund ta shohim, ekziston një frekuencë e caktuar e quajtur kufiri i efektit të fotos së kuqe, duke ndarë dy zona thelbësisht të ndryshme të grafikut. Nëse , atëherë nuk ka efekt fotoelektrik.

Nëse class="tex" alt="\nu > \nu_0"> !}, atëherë energjia kinetike maksimale e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me frekuencën.

Tani, përkundrazi, ne rregullojmë frekuencën dhe ndryshojmë intensitetin e dritës. Nëse në të njëjtën kohë, atëherë efekti fotoelektrik nuk ndodh, pavarësisht nga intensiteti! Një fakt po aq befasues gjendet kur class="tex" alt="\nu > \nu_0"> !}: Energjia maksimale kinetike e fotoelektroneve nuk varet nga intensiteti i dritës.

Të gjitha këto fakte pasqyrohen në ligjet e dytë dhe të tretë të efektit fotoelektrik.

Ligji i dytë i efektit fotoelektrik. Energjia maksimale kinetike e fotoelektroneve rritet në mënyrë lineare me frekuencën e dritës dhe nuk varet nga intensiteti i saj.

Ligji i tretë i efektit fotoelektrik. Për secilën substancë ekziston një kufi i kuq i efektit fotoelektrik - frekuenca më e ulët e dritës në të cilën efekti fotoelektrik është ende i mundur. Kur efekti fotoelektrik nuk vërehet në asnjë intensitet drite.

Vështirësitë e shpjegimit klasik të efektit fotoelektrik

Si mund të shpjegohet efekti fotoelektrik nga pikëpamja e elektrodinamikës klasike dhe koncepteve valore të dritës?

Dihet se për të hequr një elektron nga një substancë, është e nevojshme t'i jepet atij njëfarë energjie, e quajtur funksioni i punës elektron. Në rastin e një elektroni të lirë në një metal, kjo është puna e kapërcimit të fushës së joneve pozitive të rrjetës kristalore, e cila mban elektronin në kufirin e metalit. Në rastin e një elektroni të vendosur në një atom, funksioni i punës është puna e bërë për të thyer lidhjen midis elektronit dhe bërthamës.

Në fushën elektrike alternative të një valë drite, elektroni fillon të lëkundet.

Dhe nëse energjia e dridhjes tejkalon funksionin e punës, atëherë elektroni do të shkëputet nga substanca.

Sidoqoftë, në kuadrin e ideve të tilla është e pamundur të kuptohen ligjet e dytë dhe të tretë të efektit fotoelektrik. Në të vërtetë, pse energjia kinetike e elektroneve të nxjerra nuk varet nga intensiteti i rrezatimit? Në fund të fundit, sa më i madh të jetë intensiteti, aq më e madhe është forca e fushës elektrike në valën elektromagnetike, aq më e madhe është forca që vepron në elektron, aq më e madhe është energjia e lëkundjeve të tij dhe aq më e madhe energjia kinetike që elektroni do të fluturojë jashtë katodës. Logjike? Logjike. Por eksperimenti tregon të kundërtën.

Më pas, nga vjen kufiri i kuq i efektit fotoelektrik? Çfarë nuk shkon me frekuencat e ulëta? Duket se me rritjen e intensitetit të dritës, forca që vepron mbi elektronet gjithashtu rritet; prandaj, edhe me një frekuencë të ulët të dritës, elektroni herët a vonë do të shkëputet nga substanca - kur intensiteti të arrijë një vlerë mjaft të lartë. Sidoqoftë, kufiri i kuq ndalon rreptësisht emetimin e elektroneve në frekuenca të ulëta të rrezatimit të incidentit.

Për më tepër, është e paqartë inercia efekt fotoelektrik Domethënë, kur katoda ndriçohet me rrezatim me intensitet arbitrar të dobët (me frekuencë mbi kufirin e kuq), fillon efekti fotoelektrik. në çast- në momentin që ndriçimi është ndezur. Ndërkohë, duket se elektroneve u duhet pak kohë për të "liruar" lidhjet që i mbajnë ato në substancë dhe kjo kohë "lirimi" duhet të jetë më e gjatë, aq më e dobët është drita rënëse. Analogjia është kjo: sa më e dobët të shtyni një lëkundje, aq më shumë do të duhet për ta lëkundur atë në një amplitudë të caktuar.

Përsëri, duket logjike, por përvoja është i vetmi kriter i së vërtetës në fizikë! - kundërshton këto argumente.

Kështu, në kapërcyellin e shekujve 19 dhe 20, në fizikë u ngrit një situatë bllokimi: elektrodinamika, e cila parashikoi ekzistencën e valëve elektromagnetike dhe funksionon shkëlqyeshëm në rangun e valëve të radios, nuk pranoi të shpjegonte fenomenin e efektit fotoelektrik.

Rrugën për të dalë nga ky ngërç e gjeti Albert Ajnshtajni në vitin 1905. Ai gjeti një ekuacion të thjeshtë që përshkruan efektin fotoelektrik. Të tre ligjet e efektit fotoelektrik doli të ishin pasoja të ekuacionit të Ajnshtajnit.

Merita kryesore e Ajnshtajnit ishte refuzimi i tij i përpjekjeve për të interpretuar efektin fotoelektrik nga këndvështrimi i elektrodinamikës klasike. Ajnshtajni u tërhoq nga një hipotezë e guximshme rreth kuanteve, e shprehur nga Max Planck pesë vjet më parë.

Hipoteza e Plankut rreth kuanteve

Elektrodinamika klasike refuzoi të punonte jo vetëm në fushën e efektit fotoelektrik. Ai gjithashtu dështoi seriozisht kur ata u përpoqën ta përdorin atë për të përshkruar rrezatimin e një trupi të nxehtë (i ashtuquajturi rrezatim termik).

Thelbi i problemit ishte se modeli i thjeshtë dhe natyror elektrodinamik i rrezatimit termik çoi në një përfundim të pakuptimtë: çdo trup i ndezur, që rrezaton vazhdimisht, duhet të humbasë gradualisht të gjithë energjinë e tij dhe të ftohet në zero absolute. Siç e dimë shumë mirë, nuk vërehet asgjë e tillë.

Gjatë zgjidhjes së këtij problemi, Max Planck shprehu hipotezën e tij të famshme.

Hipoteza kuantike. Energjia elektromagnetike emetohet dhe absorbohet jo vazhdimisht, por në pjesë të veçanta të pandashme - kuante. Energjia kuantike është proporcionale me frekuencën e rrezatimit:

(2)

Marrëdhënia (2) quhet formula e Planck-ut, dhe koeficienti i proporcionalitetit është Konstantja e Plankut.

Pranimi i kësaj hipoteze i lejoi Plankut të ndërtonte një teori të rrezatimit termik që ishte në përputhje të shkëlqyer me eksperimentin. Duke pasur spektrat e rrezatimit termik të njohur nga përvoja, Planck llogariti vlerën e konstantës së tij:

J·s. (3)

Suksesi i hipotezës së Planck-ut sugjeroi që ligjet e fizikës klasike nuk zbatoheshin për grimcat e vogla si atomet ose elektronet, ose për fenomenet e ndërveprimit midis dritës dhe materies. Kjo ide u konfirmua nga fenomeni i efektit fotoelektrik.

Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik

Hipoteza e Planck-ut fliste për diskrete rrezatimi Dhe marrja në dorëzim valët elektromagnetike, domethënë për natyrën e ndërprerë të bashkëveprimit të dritës me lëndën. Në të njëjtën kohë, Planck besonte se duke u përhapur drita është një proces i vazhdueshëm që ndodh në përputhje të plotë me ligjet e elektrodinamikës klasike.

Ajnshtajni shkoi edhe më tej: ai sugjeroi këtë drita, në parim, ka një strukturë të ndërprerë: jo vetëm emetimi dhe thithja, por edhe përhapja e dritës ndodh në pjesë të veçanta - kuante, të cilat kanë energji..

Planck e konsideroi hipotezën e tij vetëm si një mashtrim matematikor dhe nuk guxoi të kundërshtonte elektrodinamikën në lidhje me mikrokozmosin. Kuanta u bë një realitet fizik falë Ajnshtajnit.

Kuantet e rrezatimit elektromagnetik (në veçanti, kuantet e dritës) më pas u bënë të njohura si fotone. Kështu, drita përbëhet nga grimca të veçanta - fotone, që lëvizin në vakum me një shpejtësi prej .

Çdo foton i dritës monokromatike që ka një frekuencë mbart energji.

Fotonet mund të shkëmbejnë energji dhe vrull me grimcat e materies (momenti i një fotoni do të diskutohet në fletën tjetër); në këtë rast po flasim përplasje foton dhe grimca. Në veçanti, fotonet përplasen me elektronet e metalit të katodës.

Thithja e dritës është thithja e fotoneve, d.m.th joelastike përplasja e fotoneve me grimcat (atomet, elektronet). I zhytur pas përplasjes me një elektron, fotoni transferon energjinë e tij tek ai. Si rezultat, elektroni merr energji kinetike menjëherë, dhe jo gradualisht, dhe kjo është ajo që shpjegon efektin fotoelektrik pa inerci.

Ekuacioni i Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik nuk është gjë tjetër veçse ligji i ruajtjes së energjisë. Ku shkon energjia e fotonit? gjatë përplasjes së tij joelastike me një elektron? Shpenzohet për kryerjen e funksionit të punës për nxjerrjen e një elektroni nga një substancë dhe dhënien e energjisë kinetike të elektronit:

(4)

Termi rezulton të jetë maksimale energjia kinetike e fotoelektroneve. Pse maksimale? Kjo pyetje kërkon pak shpjegim.

Elektronet në një metal mund të jenë të lirë ose të lidhur. Elektronet e lira “ecin” nëpër metal, ndërsa elektronet e lidhura “ulen” brenda atomeve të tyre. Për më tepër, elektroni mund të vendoset si afër sipërfaqes së metalit ashtu edhe në thellësinë e tij.

Është e qartë se energjia maksimale kinetike e një fotoelektroni do të merret në rastin kur fotoni godet një elektron të lirë në shtresën sipërfaqësore të metalit - atëherë vetëm funksioni i punës është i mjaftueshëm për të rrëzuar elektronin.

Në të gjitha rastet e tjera, do të duhet të shpenzohet energji shtesë - për të shkëputur një elektron të lidhur nga një atom ose për të "tërhequr" një elektron të thellë në sipërfaqe.

Këto kosto shtesë do të çojnë në faktin se energjia kinetike e elektronit të emetuar do të jetë më e vogël.

Ekuacioni (4), i shquar në thjeshtësinë dhe qartësinë e tij fizike, përmban të gjithë teorinë e efektit fotoelektrik. Le të shohim se si shpjegohen ligjet e efektit fotoelektrik nga këndvështrimi i ekuacionit të Ajnshtajnit.

1. Numri i elektroneve të rrëzuara është proporcional me numrin e fotoneve të zhytur. Me rritjen e intensitetit të dritës, numri i fotoneve që bien në katodë për sekondë rritet.

Prandaj, numri i fotoneve të zhytur dhe, në përputhje me rrethanat, numri i elektroneve të rrëzuara për sekondë rritet proporcionalisht.

2. Le të shprehim energjinë kinetike nga formula (4):

Në të vërtetë, energjia kinetike e elektroneve të nxjerra rritet në mënyrë lineare me frekuencën dhe nuk varet nga intensiteti i dritës.

Varësia e energjisë kinetike nga frekuenca ka formën e një ekuacioni të një vije të drejtë që kalon nëpër pikë. Kjo shpjegon plotësisht rrjedhën e grafikut në Fig. 3.

3. Që të fillojë efekti fotoelektrik, energjia e fotonit duhet të jetë e mjaftueshme për të përfunduar së paku funksionin e punës: . Frekuenca më e vogël e përcaktuar nga barazia

ky do të jetë kufiri i kuq i efektit fotoelektrik. Siç mund ta shohim, kufiri i kuq i efektit fotoelektrik përcaktohet vetëm nga funksioni i punës, d.m.th. varet vetëm nga substanca e sipërfaqes së katodës së rrezatuar.

Nëse , atëherë nuk do të ketë efekt fotoelektrik - pa marrë parasysh sa fotone bien në katodë në sekondë. Prandaj, intensiteti i dritës nuk ka rëndësi; Gjëja kryesore është nëse një foton individual ka energji të mjaftueshme për të rrëzuar një elektron.

Ekuacioni i Ajnshtajnit (4) bën të mundur gjetjen eksperimentale të konstantës së Plankut. Për ta bërë këtë, fillimisht është e nevojshme të përcaktohet frekuenca e rrezatimit dhe funksioni i punës së materialit katodik, si dhe të matet energjia kinetike e fotoelektroneve.

Gjatë eksperimenteve të tilla, u mor një vlerë që përkon saktësisht me (3). Një koincidencë e tillë e rezultateve të dy eksperimenteve të pavarura - bazuar në spektrat e rrezatimit termik dhe ekuacionin e Ajnshtajnit për efektin fotoelektrik - nënkuptonte se u zbuluan "rregulla të lojës" krejtësisht të reja sipas të cilave ndodh ndërveprimi i dritës dhe materies. Në këtë fushë, fizika klasike, e përfaqësuar nga mekanika njutoniane dhe elektrodinamika maksuelliane, i hap rrugën fizika kuantike- teoria e mikrobotës, ndërtimi i së cilës vazhdon edhe sot.

Efekti i brendshëm fotoelektrik u zbulua në vitin 1873 nga amerikani W. Smith dhe anglezi J. May. Kjo është, më herët se efekti i jashtëm fotoelektrik.

Për të vëzhguar efektin e brendshëm fotoelektrik në një mjedis shkollor, mund të përdorni një fotodiodë (që të mos ngatërrohet me një LED) ose një tranzistor të vjetër me një kapak metalik të prerë me kujdes për të lejuar që drita të hyjë në kristalin gjysmëpërçues. Nëse e lidhni atë me një ndreqës dhe një galvanometër, mund të vëzhgoni se si, edhe në dritën e ditës, përçueshmëria e kristalit rritet ndjeshëm. Kjo përçueshmëri quhet fotopërçueshmëri.

Ligjet e efektit të brendshëm fotoelektrik janë shumë më komplekse se ligjet e atij të jashtëm, dhe ne nuk do t'i shqyrtojmë ato këtu. Sidoqoftë, vërejmë se ato mbështeten në konceptet e valencës, niveleve elektronike, etj., të njohura për ju nga kimia dhe na lejojnë të shpjegojmë shfaqjen e efektit fotoelektrik në gjysmëpërçuesit.

Efekti i jashtëm fotoelektrik gjeti aplikim në teknologji në gjysmën e parë të shekullit të 20-të. Ky është, sigurisht, zëri i kinemasë së heshtur më parë. Fotocela ju lejon të ktheni tingullin "të fotografuar" në film në tingull të dëgjueshëm. Drita e një llambë të zakonshme kaloi nëpër gjurmën e zërit të filmit, ndryshoi dhe goditi fotocelën (shiko foton). Sa më shumë dritë kalonte nëpër pistë, aq më i fortë ishte zëri nga altoparlanti. Në natyrën e pajetë, efekti i jashtëm fotoelektrik manifestohet gjatë miliona viteve në një shkallë planetare. Rrezatimi i fuqishëm diellor, që ndikon në atomet dhe molekulat e atmosferës së tokës, nxjerr elektronet prej tyre, domethënë jonizon shtresat e sipërme të atmosferës.

Fotoefekti i brendshëm aktualisht përdoret në teknologji shumë më shpesh sesa ai i jashtëm. Për shembull, ajo e kthen dritën në rrymë elektrike në qelizat fotovoltaike dhe panelet e mëdha diellore në anijen kozmike. Fotoefekti gjithashtu "funksionon" në pajisje speciale të ndjeshme ndaj dritës, të tilla si fotorezistorë, fotodioda, fototransistorë. Falë kësaj, ju mund të numëroni pjesë në një transportues ose të ndizni dhe fikni automatikisht mekanizma të ndryshëm (fenerët, ndriçimi i rrugëve, hapja automatike e dyerve, etj.). Gjithashtu, falë efektit të brendshëm fotoelektrik, është e mundur që imazhet të shndërrohen në sinjale elektrike dhe t'i transmetohen ato në një distancë (televizori).

Aplikimi më në shkallë të gjerë i efektit fotoelektrik sot është në termocentralet diellore të ndërtuara tashmë, si dhe projektet për ndërtimin e stacioneve të reja të tilla me një kapacitet deri në disa qindra megavat. Ekspertët vlerësojnë se në vitin 2020, deri në 20% e energjisë elektrike në botë do të prodhohet përmes konvertimit fotovoltaik të energjisë diellore në Tokë dhe në hapësirë.

(C) 2012. Lyukina Tatyana Vitalievna (rajoni i Kemerovës, Leninsk-Kuznetsky)