Fotoelektrik etkinin incelenmesi. Işığın kuantum özellikleri

giriiş

1. Fotoelektrik etkinin keşfinin tarihi

2. Stoletov yasaları

3. Einstein'ın denklemi

4. Dahili fotoelektrik etki

5. Fotoelektrik etki olgusunun uygulanması

Referanslar

giriiş

Işığın dalga doğası hakkındaki fikirlere dayanarak çok sayıda optik olay tutarlı bir şekilde açıklandı. Ancak 19. yüzyılın sonu - 20. yüzyılın başı. Fotoelektrik etki, X-ışını radyasyonu, Compton etkisi, atom ve moleküllerin radyasyonu, termal radyasyon ve diğerleri gibi olaylar keşfedildi ve incelendi; bunların dalga açısından açıklamasının imkansız olduğu ortaya çıktı. Işığın doğası hakkındaki parçacık fikirlere dayanarak yeni deneysel gerçeklerin bir açıklaması elde edildi. Optik olayları açıklamak için tamamen zıt fiziksel dalga ve parçacık modellerinin kullanılmasıyla ilgili paradoksal bir durum ortaya çıktı. Bazı olgularda ışık dalga özellikleri sergiliyor, diğerlerinde ise parçacık özellikleri sergiliyordu.

Işığın madde üzerindeki etkisinin ortaya çıktığı çeşitli olaylar arasında önemli bir yer işgal etmektedir. fotoelektrik etki yani ışığın etkisi altındaki bir maddenin elektron yayması. Bu olgunun analizi ışık kuantumu fikrine yol açtı ve modern teorik kavramların geliştirilmesinde son derece önemli bir rol oynadı. Aynı zamanda, bilim ve teknolojinin çok çeşitli alanlarında son derece geniş uygulama alanına sahip olan ve daha da zengin beklentiler vaat eden fotosellerde fotoelektrik etki kullanılmaktadır.

1. Fotoelektrik etkinin keşfinin tarihi

Fotoelektrik etkinin keşfi, Hertz'in enerji verilmiş bir kıvılcım aralığının elektrotlarını ultraviyole ışıkla aydınlatmanın kıvılcımın aralarından geçişini kolaylaştırdığını keşfettiği 1887 yılına atfedilmelidir.

Hertz tarafından keşfedilen olay aşağıdaki kolaylıkla uygulanabilir deneyde gözlemlenebilir (Şekil 1).

Kıvılcım aralığı F'nin boyutu, bir transformatör T ve bir kapasitör C'den oluşan bir devrede, bir kıvılcımın zorlukla (dakikada bir veya iki kez) içinden geçeceği şekilde seçilir. Saf çinkodan yapılmış F elektrotları Hg cıva lambasının ışığıyla aydınlatılırsa, kapasitörün deşarjı büyük ölçüde kolaylaşır: bir kıvılcım atlamaya başlar (Şekil 1). 1. Hertz deneyinin şeması.

Fotoelektrik etki, 1905'te Albert Einstein (bununla 1921'de Nobel Ödülü'nü aldı) tarafından Max Planck'ın ışığın kuantum doğası hakkındaki hipotezine dayanarak açıklandı. Einstein'ın çalışması önemli bir yeni hipotez içeriyordu; eğer Planck ışığın yalnızca kuantumlanmış kısımlar halinde yayıldığını öne sürdüyse, o zaman Einstein zaten ışığın yalnızca kuantum kısımları biçiminde var olduğuna inanıyordu. Işığın parçacıklar (fotonlar) olduğu fikrinden hareketle, Einstein'ın fotoelektrik etki formülü hemen şu şekildedir:

Bu formül fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının varlığını ima eder. Böylece fotoelektrik etki üzerine yapılan araştırmalar ilk kuantum mekaniği çalışmalarından biriydi.

2. Stoletov yasaları

Fotoelektrik etki olayını ilk kez (1888-1890) ayrıntılı olarak analiz eden Rus fizikçi A.G. Stoletov temelde önemli sonuçlar elde etti. Önceki araştırmacıların aksine, elektrotlar arasında küçük bir potansiyel farkı aldı. Stoletov'un deneyinin şeması Şekil 1'de gösterilmektedir. 2.

Aküye vakumda yerleştirilmiş iki elektrot (biri ızgara şeklinde, diğeri düz) bağlanır. Ortaya çıkan akımı ölçmek için devreye bağlı bir ampermetre kullanılır. Stoletov, katodu çeşitli dalga boylarında ışıkla ışınlayarak ultraviyole ışınlarının en etkili etkiye sahip olduğu sonucuna vardı. Ayrıca ışığın ürettiği akımın şiddetinin şiddetiyle doğru orantılı olduğu da tespit edildi.

1898'de Lenard ve Thomson, elektrik ve manyetik alanlardaki yüklerin saptırılması yöntemini kullanarak, Şekil 2'den çıkan yüklü parçacıkların özgül yükünü belirlediler. 2. Stoletov deneyinin şeması.

katottan gelen ışık ve ifadeyi aldı

Elde edilen sonuçların özetlenmesiyle aşağıdakiler tespit edilmiştir: desenler fotoğraf efekti:

1. Işığın sabit bir spektral bileşimi ile doygunluk fotoakımının gücü, katot üzerine gelen ışık akısı ile doğru orantılıdır.

2. Işık tarafından fırlatılan elektronların başlangıç ​​kinetik enerjisi, ışığın frekansı arttıkça doğrusal olarak artar ve yoğunluğuna bağlı değildir.

3. Işığın frekansı her metalin belirli bir değer özelliğinden azsa fotoelektrik etki oluşmaz.

Fotoelektrik etkinin ilk düzenliliği ve bizzat fotoelektrik etkinin ortaya çıkışı, klasik fizik yasalarına dayanarak kolaylıkla açıklanabilir. Gerçekten de metalin içindeki elektronlara etki eden ışık alanı onların titreşimlerini harekete geçirir. Zorlanmış salınımların genliği öyle bir değere ulaşabilir ki elektronlar metali terk eder; daha sonra fotoelektrik etki gözlenir.

Klasik teoriye göre ışığın şiddeti elektrik vektörünün karesiyle doğru orantılı olduğundan, ışık şiddeti arttıkça dışarı atılan elektronların sayısı da artar.

Fotoelektrik etkinin ikinci ve üçüncü yasaları klasik fizik yasalarıyla açıklanmamaktadır.

Bir metal monokromatik bir ışık akışıyla ışınlandığında ortaya çıkan foto akımın (Şekil 3) elektrotlar arasındaki potansiyel farkına bağımlılığının incelenmesi (bu bağımlılığa genellikle foto akımın volt-amper karakteristiği denir), şu şekilde tespit edilmiştir: 1) fotoakım yalnızca şu durumlarda ortaya çıkmaz:

potansiyel gelen ışığın frekansına bağlıdır; fotoakım

8) Işığın etkisi altında fırlatılan elektronların hızı, ışığın yoğunluğuna değil, yalnızca frekansına bağlıdır.

3. Einstein'ın denklemi

Fotoelektrik etki olgusu ve tüm yasaları, ışığın kuantum doğasını doğrulayan ışığın kuantum teorisi kullanılarak iyi bir şekilde açıklanmaktadır.

Daha önce belirtildiği gibi, Planck'ın kuantum teorisini geliştiren Einstein (1905), yalnızca radyasyon ve soğurmanın değil, aynı zamanda ışığın yayılmasının enerjisi ve momentumu olan kısımlarda (kuantum) meydana geldiği fikrini ortaya attı.

Fotoelektrik etki 1887'de Alman fizikçi G. Hertz tarafından keşfedildi ve 1888-1890'da A. G. Stoletov tarafından deneysel olarak incelendi. Fotoelektrik etki olgusunun en kapsamlı çalışması 1900 yılında F. Lenard tarafından gerçekleştirildi. Bu zamana kadar elektron zaten keşfedilmişti (1897, J. Thomson) ve fotoelektrik etkinin (veya daha fazlasının) olduğu açıkça ortaya çıktı. tam olarak dış foto etkisi), üzerine düşen ışığın etkisi altında bir maddeden elektronların fırlatılmasından oluşur.

Fotoelektrik etkiyi incelemek için deney düzeneğinin şeması Şekil 2'de gösterilmektedir. 5.2.1.

Deneylerde, yüzeyi iyice temizlenmiş, iki metal elektrotlu bir cam vakum şişesi kullanıldı. Elektrotlara bir miktar voltaj uygulandı sen, polaritesi çift anahtar kullanılarak değiştirilebilir. Elektrotlardan biri (katot K), belirli bir dalga boyunda λ monokromatik ışıkla bir kuvars pencereden aydınlatıldı. Sabit bir ışık akısı durumunda, fotoakım kuvvetinin bağımlılığı alınmıştır. BEN uygulanan voltajdan. Şek. Şekil 5.2.2, katot üzerindeki ışık akısı yoğunluğunun iki değerinde elde edilen böyle bir bağımlılığın tipik eğrilerini göstermektedir.

Eğriler, anot A'daki yeterince büyük pozitif voltajlarda, ışıkla katottan atılan tüm elektronların anoda ulaşması nedeniyle foto akımın doygunluğa ulaştığını göstermektedir. Dikkatli ölçümler doyma akımının BEN n, gelen ışığın yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Anottaki voltaj negatif olduğunda katot ile anot arasındaki elektrik alanı elektronları engeller. Yalnızca kinetik enerjisi | AB|. Anot voltajı - sen h, fotoakım durur. Ölçme sen h, fotoelektronların maksimum kinetik enerjisini belirleyebiliriz:

Bilim adamlarını şaşırtacak şekilde değer sen h'nin gelen ışık akısının yoğunluğundan bağımsız olduğu ortaya çıktı. Dikkatli ölçümler, ışığın frekansı ν arttıkça engelleme potansiyelinin doğrusal olarak arttığını göstermiştir (Şekil 5.2.3).

Çok sayıda deneyci fotoelektrik etkinin aşağıdaki temel ilkelerini oluşturmuştur:

1. Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, artan ışık frekansı ν ile doğrusal olarak artar ve yoğunluğuna bağlı değildir.

2. Her madde için sözde bir kırmızı fotoğraf efekti sınırı yani harici fotoelektrik etkinin hala mümkün olduğu en düşük frekans ν min.

3. Katottan gelen ışığın 1 saniyede yaydığı fotoelektronların sayısı ışık şiddetiyle doğru orantılıdır.

4. Fotoelektrik etki pratikte ataletsizdir, ışık frekansı ν > ν min olması koşuluyla, foto akım katodun aydınlatılmasının başlamasından hemen sonra ortaya çıkar.

Fotoelektrik etkinin tüm bu yasaları, klasik fiziğin ışığın madde ile etkileşimi hakkındaki fikirleriyle temelden çelişiyordu. Dalga kavramlarına göre, bir elektron, bir elektromanyetik ışık dalgasıyla etkileşime girdiğinde, yavaş yavaş enerji biriktirecek ve elektronun, ışık yoğunluğuna bağlı olarak, elektronun ışık dalgasının dışına uçmaya yetecek kadar enerji biriktirmesi önemli miktarda zaman alacaktır. katot. Hesaplamaların gösterdiği gibi bu sürenin dakika veya saat cinsinden hesaplanması gerekir. Ancak deneyimler, fotoelektronların katodun aydınlatılmasının başlamasından hemen sonra ortaya çıktığını göstermektedir. Bu modelde fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının varlığını anlamak da imkansızdı. Işığın dalga teorisi, fotoelektronların enerjisinin ışık akısının yoğunluğundan bağımsızlığını ve maksimum kinetik enerjinin ışığın frekansıyla orantılılığını açıklayamadı.

Dolayısıyla ışığın elektromanyetik teorisi bu modelleri açıklayamadı.

Çözüm, 1905 yılında A. Einstein tarafından bulundu. Fotoelektrik etkinin gözlemlenen yasalarının teorik bir açıklaması, M. Planck'ın ışığın belirli kısımlarda yayıldığı ve emildiği ve bunların her birinin enerjisi olduğu yönündeki hipotezine dayanarak Einstein tarafından verildi. kısım formülle belirlenir e = H nerede H- Planck sabiti. Einstein kuantum kavramlarının geliştirilmesinde bir sonraki adımı attı. Şu sonuca vardı: ışığın süreksiz (ayrık) bir yapısı vardır. Bir elektromanyetik dalga ayrı bölümlerden oluşur - kuantum, daha sonra adı verilen fotonlar. Bir foton maddeyle etkileşime girdiğinde tüm enerjisini tamamen aktarır Hν bir elektron. Elektron, maddenin atomlarıyla çarpışması sırasında bu enerjinin bir kısmını dağıtabilir. Ek olarak, elektron enerjisinin bir kısmı metal-vakum arayüzündeki potansiyel bariyerin aşılması için harcanır. Bunu yapmak için elektronun yapması gerekir. çalışma fonksiyonu A Katot malzemesinin özelliklerine bağlı olarak. Katottan yayılan bir fotoelektronun sahip olabileceği maksimum kinetik enerji, enerjinin korunumu yasasıyla belirlenir:

Bu formüle genellikle denir Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi .

Einstein'ın denklemi kullanılarak dış fotoelektrik etkinin tüm yasaları açıklanabilir. Einstein'ın denklemi, maksimum kinetik enerjinin frekansa ve ışık yoğunluğunun bağımsızlığına doğrusal bir bağımlılığını, kırmızı bir sınırın varlığını ve ataletsiz fotoelektrik etkiyi ima eder. Katot yüzeyinden 1 saniyede ayrılan fotoelektronların toplam sayısı, aynı anda yüzeye gelen fotonların sayısıyla orantılı olmalıdır. Bundan doyma akımının ışık akısının yoğunluğuyla doğru orantılı olması gerektiği sonucu çıkar.

Einstein'ın denkleminden aşağıdaki gibi, engelleme potansiyelinin bağımlılığını ifade eden düz çizginin eğim açısının tanjantı senз ν frekansından (Şekil 5.2.3), Planck sabitinin oranına eşit H elektron yüküne e:

Bu, Planck sabitinin değerini deneysel olarak belirlememize olanak tanır. Bu tür ölçümler 1914 yılında R. Millikan tarafından yapılmış ve Planck'ın bulduğu değerle iyi bir uyum sağlamıştır. Bu ölçümler aynı zamanda iş fonksiyonunun belirlenmesini de mümkün kıldı. A:

Nerede C- ışık hızı, λ cr - fotoelektrik etkinin kırmızı sınırına karşılık gelen dalga boyu. Çoğu metalin bir iş fonksiyonu vardır A birkaç elektron volttur (1 eV = 1,602·10 -19 J). Kuantum fiziğinde elektron volt sıklıkla bir enerji birimi olarak kullanılır. Planck sabitinin saniye başına elektron volt cinsinden ifade edilen değeri şöyledir:

Metaller arasında alkali elementler en düşük iş fonksiyonuna sahiptir. Örneğin sodyum A= 1,9 eV, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırına karşılık gelir λ cr ≈ 680 nm. Bu nedenle katot oluşturmak için alkali metal bileşikleri kullanılır. fotoseller , görünür ışığı kaydetmek için tasarlanmıştır.

Yani, fotoelektrik etkinin yasaları, ışığın yayılıp emildiğinde, parçacıklar akışı gibi davrandığını gösterir. fotonlar veya ışık kuantumu .

Foton enerjisi

fotonun momentuma sahip olduğu sonucu çıkar

Böylece, iki yüzyıl süren bir devrimi tamamlayan ışık doktrini, yine ışık parçacıkları - parçacıklar fikirlerine geri döndü.

Ancak bu, Newton'un parçacık teorisine mekanik bir dönüş değildi. 20. yüzyılın başında ışığın ikili bir yapıya sahip olduğu ortaya çıktı. Işık yayıldığında dalga özellikleri ortaya çıkar (girişim, kırınım, polarizasyon) ve madde ile etkileşime girdiğinde parçacık özellikleri ortaya çıkar (fotoelektrik etki). Işığın bu ikili doğasına denir dalga-parçacık ikiliği Lomonosov'un bahsettiği. Daha sonra elektronların ve diğer temel parçacıkların ikili doğası keşfedildi. Klasik fizik, mikro nesnelerin dalga ve parçacık özelliklerinin birleşiminin görsel bir modelini sağlayamaz. Mikro nesnelerin hareketi klasik Newton mekaniğinin yasalarına göre değil, kuantum mekaniğinin yasalarına göre yönetilir. Bu modern bilimin temelinde M. Planck tarafından geliştirilen kara cisim ışınımı teorisi ve Einstein'ın fotoelektrik etki kuantum teorisi yatmaktadır.

Bir hipotez öne sürdü: ışık ayrı bölümlerde - kuantumlarda (veya fotonlarda) yayılır ve emilir. Her fotonun enerjisi formülle belirlenir e= saat ν , Nerede H - Planck sabiti 6,63'e eşit. 10 -34 J. s, ν - ışığın frekansı. Planck'ın hipotezi birçok olguyu açıkladı: özellikle 1887'de Alman bilim adamı Heinrich Hertz tarafından keşfedilen ve Rus bilim adamı A.G. Stoletov tarafından deneysel olarak incelenen fotoelektrik etki olgusu.

Fotoğraf efekti — Bu, ışığın etkisi altındaki bir maddenin elektron yayması olgusudur.

Araştırma sonucunda fotoelektrik etkinin üç kanunu belirlendi:

1. Doyma akımının gücü, vücut yüzeyine gelen ışık radyasyonunun yoğunluğuyla doğru orantılıdır.

2. Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın frekansıyla doğrusal olarak artar ve yoğunluğuna bağlı değildir.

3. Işığın frekansı, belirli bir madde için belirlenen minimum frekanstan düşükse fotoelektrik etki oluşmaz.

Fotoakımın voltaja bağımlılığı Şekil 36'da gösterilmektedir.

Fotoelektrik etki teorisi, 1905 yılında Alman bilim adamı A. Einstein tarafından oluşturuldu. Einstein'ın teorisi, elektronların bir metalden iş fonksiyonu kavramına ve ışığın kuantum radyasyonu kavramına dayanmaktadır. Einstein'ın teorisine göre fotoelektrik etkinin açıklaması şu şekildedir: Bir elektron bir miktar ışık emerek enerji elde eder. hv. Metalden ayrılırken her elektronun enerjisi belirli bir miktarda azalır. çalışma fonksiyonu(Ah dışarı). İş fonksiyonu, bir metalden bir elektronu çıkarmak için gereken iştir. Ayrıldıktan sonra elektronların maksimum enerjisi (başka kayıp yoksa) şu şekildedir: mv 2/2 = hv - A çıkışı, Bu denkleme Einstein denklemi denir .

Eğer hν< Ancak fotoelektrik etki oluşmaz. Araç, kırmızı fotoğraf efekti sınırı eşit ν dk = bir çıkış / saat

Çalışma prensibi fotoelektrik etki olgusuna dayanan cihazlara denir. fotoğraf öğeleri. Bu tür en basit cihaz bir vakum fotoselidir. Böyle bir fotoselin dezavantajları şunlardır: düşük akım, uzun dalga radyasyonuna karşı düşük hassasiyet, imalat zorluğu, alternatif akım devrelerinde kullanımının imkansızlığı. Fotometride ışık yoğunluğunu, parlaklığını, aydınlatmayı ölçmek için, sinemada ses üretimi için, fototelgraf ve fotofonlarda, üretim süreçlerinin kontrolünde kullanılır.

Işığın etkisi altında akım taşıyıcılarının konsantrasyonunun değiştiği yarı iletken fotoseller vardır. Elektrik devrelerinin (örneğin metro turnikelerinde), alternatif akım devrelerinde ve yenilenemeyen akım olarak kullanılırlar. Saatlerdeki, mikro hesaplayıcılardaki, ilk güneş arabalarındaki kaynaklar test ediliyor ve yapay Dünya uydularındaki güneş pillerinde, gezegenler arası ve yörüngesel otomatik istasyonlarda kullanılıyor.

Fotoelektrik etki olgusu, fotoğraf malzemelerindeki ışığın etkisi altında meydana gelen fotokimyasal işlemlerle ilişkilidir.

Birleşik Devlet Sınavı kodlayıcısının konuları: M. Planck'ın kuantum hipotezi, fotoelektrik etki, A.G. Stoletov'un deneyleri, Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi.

Fotoğraf efekti- Bu, gelen ışığın bir maddeden elektronları koparmasıdır. Fotoelektrik etki olgusu, Heinrich Hertz tarafından 1887'de elektromanyetik dalgaların yayılmasıyla ilgili ünlü deneyleri sırasında keşfedildi.
Hertz'in özel bir kıvılcım aralığı (Hertz vibratörü) kullandığını hatırlayalım - kesimin uçlarında bir çift metal bilya ile ikiye kesilmiş bir çubuk. Çubuğa yüksek voltaj uygulandı ve topların arasına bir kıvılcım sıçradı. Böylece Hertz, negatif yüklü bir topun ultraviyole ışıkla ışınlanması durumunda kıvılcımın daha kolay kıvılcım çıkardığını keşfetti.

Ancak Hertz, elektromanyetik dalgaların incelenmesine odaklanmıştı ve bu gerçeği hesaba katmamıştı. Bir yıl sonra fotoelektrik etki, Rus fizikçi Alexander Grigorievich Stoletov tarafından bağımsız olarak keşfedildi. Stoletov'un iki yıl boyunca yürüttüğü dikkatli deneysel çalışmalar, fotoelektrik etkinin temel yasalarının formüle edilmesini mümkün kıldı.

Stoletov'un deneyleri

Stoletov ünlü deneylerinde kendi tasarımı olan bir fotosel kullanmıştır ( Fotosel Fotoelektrik etkinin gözlemlenmesini sağlayan her türlü cihaza denir. Diyagramı Şekil 2'de gösterilmektedir. 1.

Pirinç. 1. Stoletov fotoseli

Havanın dışarı pompalandığı (elektron akışına müdahale etmemek için) bir cam şişeye iki elektrot yerleştirilir: bir çinko katot ve bir anot. Katot ve anoda, değeri bir potansiyometre kullanılarak değiştirilebilen ve bir voltmetre ile ölçülebilen bir voltaj uygulanır.

Şimdi katoda "eksi" uygulanır ve anoda "artı" uygulanır, ancak bunun tersi de yapılabilir (ve bu işaret değişikliği Stoletov'un deneylerinin önemli bir parçasıdır). Elektrotlardaki voltaj, anoda uygulanan işarete atanır (Bu nedenle, elektrotlara uygulanan voltaja genellikle denir) anot voltajı). Bu durumda örneğin voltaj pozitiftir.

Katot, şişede yapılan özel bir kuvars pencere aracılığıyla UV'nin ultraviyole ışınlarıyla aydınlatılır (cam, ultraviyole radyasyonu emer, ancak kuvars onu iletir). Ultraviyole radyasyon, voltajla hızlandırılan ve anoda uçan elektronları katottan çıkarır. Devreye bağlı bir miliampermetre elektrik akımını kaydeder. Bu akıma denir fotoakım ve onu yaratan nakavt edilmiş elektronlara denir fotoelektronlar.

Stoletov'un deneylerinde üç miktar bağımsız olarak değiştirilebilir: anot voltajı, ışık yoğunluğu ve frekansı.

Fotoakımın voltaja bağımlılığı

Anot voltajının büyüklüğünü ve işaretini değiştirerek foto akımının nasıl değiştiğini izleyebilirsiniz. Bu ilişkinin grafiği denir fotoselin özellikleri, Şekil 2'de gösterilmiştir. 2.

Pirinç. 2. Fotoselin özellikleri

Ortaya çıkan eğrinin seyrini tartışalım. Öncelikle elektronların katottan farklı hızlarda ve farklı yönlerde uçtuğunu görüyoruz; Fotoelektronların deneysel koşullar altında sahip olduğu maksimum hızı gösterelim.

Gerilim negatif ve mutlak değer olarak büyükse fotoakım yoktur. Bunu anlamak kolaydır: Katot ve anottan gelen elektronlara etki eden elektrik alanı frenlenir (katotta "artı", anotta "eksi") ve o kadar büyüktür ki elektronlar anoda ulaşamaz. Başlangıçtaki kinetik enerji kaynağı yeterli değildir; elektronlar anoda yaklaşırken hızlarını kaybeder ve katoda geri döner. Yayılan elektronların maksimum kinetik enerjisinin, bir elektron katottan anoda hareket ettiğinde alan işinin modülünden daha az olduğu ortaya çıkar:

Burada kg elektronun kütlesi, C ise yüküdür.

Gerilimi kademeli olarak artıracağız, yani. uzak negatif değerlerin ekseni boyunca soldan sağa doğru hareket edin.

İlk başta hala akım yoktur, ancak elektronun ters dönme noktası anoda giderek yaklaşmaktadır. Son olarak gerilime ulaşıldığında buna denir. tutma gerilimi elektronlar anoda ulaştığı anda geri döner (yani elektronlar anoda sıfır hızla ulaşır). Sahibiz:

(1)

Böylece, geciktirme voltajının büyüklüğü fotoelektronların maksimum kinetik enerjisinin belirlenmesine olanak sağlar.

Gecikme voltajı biraz aşıldığında zayıf bir fotoakım ortaya çıkar. Neredeyse tam olarak ampulün ekseni boyunca (yani katoda neredeyse dik) maksimum kinetik enerjiyle yayılan elektronlardan oluşur: artık elektronlar anoda sıfır olmayan bir hızla ulaşıp devreyi kapatmaya yetecek kadar bu enerjiye sahiptir. Geriye kalan, daha düşük hızlara sahip olan veya anottan uzaklaşan elektronlar anoda ulaşamazlar.

Gerilim arttıkça fotoakım da artar. Daha fazla sayıda elektron anoda ulaşır ve katottan ampulün eksenine giderek daha büyük açılarla kaçar. Fotoakımın sıfır voltajda mevcut olduğunu unutmayın!

Gerilim pozitif değerlere ulaştığında fotoakım artmaya devam eder. Bu anlaşılabilir bir durumdur: Elektrik alanı artık elektronları hızlandırır, böylece giderek artan sayıda elektron anoda ulaşma şansına sahip olur. Ancak fotoelektronların tamamı henüz anoda ulaşmamaktadır. Örneğin ampulün eksenine dik (yani katot boyunca) maksimum hızda yayılan bir elektron, alan istenilen yöne dönse de anoda çarpacak kadar güçlü olmayacaktır.

Son olarak, yeterince büyük pozitif voltaj değerlerinde akım, sınır değerine ulaşır. doygunluk akımı ve daha fazla artmayı durdurur.

Neden? Gerçek şu ki, elektronları hızlandıran voltaj o kadar yükselir ki, anot, katottan dışarı atılan tüm elektronları - hangi yönde ve hangi hızda hareket etmeye başlarlarsa başlasınlar - yakalar. Sonuç olarak, foto akımının artma fırsatı kalmadı - tabiri caizse kaynak tükendi.

Fotoelektrik etkinin yasaları

Doyma akımının miktarı esas olarak bir saniyede katottan çıkan elektronların sayısıdır. Frekansı değiştirmeden ışık yoğunluğunu değiştireceğiz. Deneyimler, doygunluk akımının ışık yoğunluğuyla orantılı olarak değiştiğini göstermektedir.

Fotoelektrik etkinin birinci yasası. Saniyede katottan atılan elektronların sayısı, katot üzerindeki radyasyonun yoğunluğuyla orantılıdır (sabit frekansında)..

Bunda beklenmedik bir şey yok: Radyasyon ne kadar fazla enerji taşırsa, gözlemlenen sonuç o kadar belirgin olur. Gizemler daha da başlıyor.

Yani, fotoelektronların maksimum kinetik enerjisinin gelen ışığın frekansına ve yoğunluğuna bağımlılığını inceleyeceğiz. Bunu yapmak zor değil: Sonuçta, formül (1) sayesinde, devre dışı bırakılan elektronların maksimum kinetik enerjisini bulmak, aslında geciktirme voltajının ölçülmesine indirgeniyor.

İlk olarak radyasyon frekansını sabit bir yoğunlukta değiştiriyoruz. Sonuç şuna benzer bir grafiktir (Şekil 3):

Pirinç. 3. Fotoelektron enerjisinin ışık frekansına bağımlılığı

Gördüğümüz gibi belli bir frekans var. kırmızı fotoğraf efekti sınırı Grafiğin temelde farklı iki alanını ayıran. Eğer öyleyse, fotoelektrik etki yoktur.

Eğer class = "tex" alt = "\nu > \nu_0"> !}, o zaman fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi frekansla doğrusal olarak artar.

Şimdi ise tam tersine frekansı sabitleyip ışık yoğunluğunu değiştiriyoruz. Aynı zamanda, yoğunluk ne olursa olsun fotoelektrik etki meydana gelmez! Aynı derecede şaşırtıcı bir gerçek şu anda ortaya çıkar: class = "tex" alt = "\nu > \nu_0"> !}: Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi ışık yoğunluğuna bağlı değildir.

Bütün bu gerçekler fotoelektrik etkinin ikinci ve üçüncü yasalarında yansıtılmaktadır.

Fotoelektrik etkinin ikinci yasası. Fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi, ışığın frekansıyla doğrusal olarak artar ve yoğunluğuna bağlı değildir..

Fotoelektrik etkinin üçüncü yasası. Her madde için fotoelektrik etkinin kırmızı bir sınırı vardır; bu, fotoelektrik etkinin hala mümkün olduğu en düşük ışık frekansıdır. Herhangi bir ışık şiddetinde fotoelektrik etki görülmediğinde.

Fotoelektrik etkinin klasik açıklamasının zorlukları

Fotoelektrik etki, klasik elektrodinamik ve ışığın dalga kavramları açısından nasıl açıklanabilir?

Bir maddeden bir elektronu uzaklaştırmak için ona bir miktar enerji verilmesi gerektiği bilinmektedir. çalışma fonksiyonu elektron. Bir metalde serbest elektron olması durumunda bu, elektronu metal sınırında tutan kristal kafesin pozitif iyon alanının üstesinden gelme işidir. Bir atomun içinde bulunan bir elektron durumunda, iş fonksiyonu, elektron ile çekirdek arasındaki bağı kırmak için yapılan iştir.

Bir ışık dalgasının alternatif elektrik alanında elektron salınmaya başlar.

Ve eğer titreşim enerjisi iş fonksiyonunu aşarsa, o zaman elektron maddeden kopacaktır.

Ancak bu fikirler çerçevesinde fotoelektrik etkinin ikinci ve üçüncü yasalarını anlamak mümkün değildir.. Gerçekten de, fırlatılan elektronların kinetik enerjisi neden radyasyon yoğunluğuna bağlı değil? Sonuçta, yoğunluk ne kadar büyük olursa, elektromanyetik dalgadaki elektrik alan kuvveti o kadar büyük olur, elektrona etki eden kuvvet o kadar büyük olur, salınımlarının enerjisi o kadar büyük olur ve elektronun katottan uçacağı kinetik enerji o kadar büyük olur. Mantıksal? Mantıksal. Ancak deney aksini gösteriyor.

Sonra, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı nereden geliyor? Düşük frekansların nesi yanlış? Öyle görünüyor ki, ışığın yoğunluğu arttıkça elektronlara etki eden kuvvet de artıyor; bu nedenle, düşük ışık frekansında bile, yoğunluk yeterince yüksek bir değere ulaştığında elektron er ya da geç maddeden kopacaktır. Bununla birlikte, kırmızı sınır, gelen radyasyonun düşük frekanslarında elektronların emisyonunu kesinlikle yasaklamaktadır.

Üstelik belirsiz eylemsizlik fotoelektrik etki Yani, katot keyfi olarak zayıf yoğunlukta (kırmızı sınırın üzerinde bir frekansta) radyasyonla aydınlatıldığında fotoelektrik etki başlar. aniden- şu anda aydınlatma açık. Bu arada, elektronların kendilerini madde içinde tutan bağları "gevşetmesi" için biraz zamana ihtiyacı olduğu ve gelen ışık ne kadar zayıfsa bu "gevşeme" süresinin de o kadar uzun olması gerektiği görülüyor. Analoji şudur: Bir salınımı ne kadar zayıf iterseniz, onu belirli bir genliğe sallamak o kadar uzun sürer.

Yine mantıklı görünüyor ama fizikte gerçeğin tek kriteri deneyimdir! - bu argümanlarla çelişiyor.

Böylece, 19. ve 20. yüzyılların başında fizikte bir çıkmaz durum ortaya çıktı: Elektromanyetik dalgaların varlığını öngören ve radyo dalgası aralığında mükemmel şekilde çalışan elektrodinamik, fotoelektrik etki olgusunu açıklamayı reddetti.

Bu çıkmazdan çıkış yolu 1905'te Albert Einstein tarafından bulundu. Fotoelektrik etkiyi açıklayan basit bir denklem buldu. Fotoelektrik etkinin üç yasasının da Einstein'ın denkleminin sonuçları olduğu ortaya çıktı.

Einstein'ın esas değeri, fotoelektrik etkiyi klasik elektrodinamik açısından yorumlama girişimlerini reddetmesiydi. Einstein, Max Planck'ın beş yıl önce ifade ettiği kuantum hakkında cesur bir hipotezden yararlandı.

Planck'ın kuantum hakkındaki hipotezi

Klasik elektrodinamik yalnızca fotoelektrik etki alanında çalışmayı reddetti. Isıtılmış bir cismin radyasyonunu (sözde termal radyasyon) tanımlamak için kullanmaya çalıştıklarında da ciddi şekilde başarısız oldu.

Sorunun özü, termal radyasyonun basit ve doğal elektrodinamik modelinin anlamsız bir sonuca yol açmasıydı: sürekli yayılan herhangi bir ısıtılmış cisim, yavaş yavaş tüm enerjisini kaybetmeli ve mutlak sıfıra soğumalıdır. Çok iyi bildiğimiz gibi böyle bir şey gözlenmiyor.

Max Planck bu problemi çözerken ünlü hipotezini dile getirdi.

Kuantum hipotezi. Elektromanyetik enerji sürekli olarak değil, ayrı bölünemez kısımlar halinde - kuantum olarak yayılır ve emilir. Kuantum enerjisi radyasyon frekansıyla orantılıdır:

(2)

İlişki (2) denir Planck'ın formülü ve orantılılık katsayısı Planck sabiti.

Bu hipotezin kabul edilmesi, Planck'ın deneyle mükemmel uyum içinde olan bir termal radyasyon teorisi oluşturmasına olanak sağladı. Deneyimlerinden bilinen termal radyasyon spektrumuna sahip olan Planck, sabitinin değerini hesapladı:

J·s. (3)

Planck'ın hipotezinin başarısı, klasik fizik yasalarının atomlar veya elektronlar gibi küçük parçacıklara veya ışık ile madde arasındaki etkileşim olgusuna uygulanmadığını ileri sürdü. Bu fikir fotoelektrik etki olgusuyla doğrulandı.

Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi

Planck'ın hipotezi ayrıklıktan söz ediyordu radyasyon Ve devralmalar elektromanyetik dalgalar, yani ışığın madde ile etkileşiminin aralıklı doğası hakkında. Planck aynı zamanda şuna inanıyordu: yayılıyorışık, klasik elektrodinamik yasalarına tam uygun olarak meydana gelen sürekli bir süreçtir.

Einstein daha da ileri gitti: şunu önerdi: ışık prensip olarak süreksiz bir yapıya sahiptir: yalnızca emisyon ve soğurma değil, aynı zamanda ışığın yayılması da enerjiye sahip ayrı bölümlerde - kuantumda - meydana gelir.

Planck, hipotezini yalnızca matematiksel bir hile olarak değerlendirdi ve mikrokozmosla ilgili olarak elektrodinamiği çürütmeye cesaret edemedi. Quanta, Einstein sayesinde fiziksel bir gerçeklik haline geldi.

Elektromanyetik radyasyonun kuantumu (özellikle ışık kuantumu) daha sonra şu şekilde bilinmeye başlandı: fotonlar. Bu nedenle ışık, boşlukta 0,5 hızıyla hareket eden özel parçacıklardan (fotonlar) oluşur.

Monokromatik ışığın frekansa sahip her fotonu enerji taşır.

Fotonlar maddenin parçacıklarıyla enerji ve momentum alışverişi yapabilir (bir fotonun momentumu bir sonraki sayfada tartışılacaktır); bu durumda bahsediyoruz çarpışma foton ve parçacık. Özellikle fotonlar katot metalinin elektronlarıyla çarpışır.

Işığın emilmesi fotonların emilmesidir, yani esnek olmayan fotonların parçacıklarla (atomlar, elektronlar) çarpışması. Bir elektronla çarpıştığında emilen foton, enerjisini ona aktarır. Sonuç olarak, elektron kinetik enerjiyi kademeli olarak değil anında alır ve ataletsiz fotoelektrik etkiyi açıklayan da budur.

Einstein'ın fotoelektrik etki denklemi, enerjinin korunumu yasasından başka bir şey değildir. Foton enerjisi nereye gidiyor? bir elektronla esnek olmayan çarpışması sırasında mı? Bir maddeden bir elektron çıkarma ve elektrona kinetik enerji verme iş fonksiyonunu gerçekleştirmek için harcanır:

(4)

Terim ortaya çıkıyor maksimum fotoelektronların kinetik enerjisi. Neden maksimum? Bu soru biraz açıklama gerektiriyor.

Bir metaldeki elektronlar serbest veya bağlı olabilir. Serbest elektronlar metal boyunca "yürürken" bağlı elektronlar atomlarının içinde "oturur". Ek olarak elektron hem metalin yüzeyine yakın hem de derinliğinde bulunabilir.

Fotonun metalin yüzey katmanındaki serbest bir elektrona çarpması durumunda bir fotoelektronun maksimum kinetik enerjisinin elde edileceği açıktır - o zaman iş fonksiyonu tek başına elektronu devirmek için yeterlidir.

Diğer tüm durumlarda, bağlı bir elektronu bir atomdan koparmak veya derin bir elektronu yüzeye "sürüklemek" için ek enerjinin harcanması gerekecektir.

Bu ekstra maliyetler, yayılan elektronun kinetik enerjisinin daha az olmasına yol açacaktır.

Basitliği ve fiziksel açıklığıyla dikkat çeken denklem (4), fotoelektrik etki teorisinin tamamını içermektedir. Einstein'ın denklemi açısından fotoelektrik etki yasalarının nasıl açıklandığını görelim.

1. Dışarı atılan elektronların sayısı emilen fotonların sayısıyla orantılıdır. Işık şiddeti arttıkça katoda saniyede düşen foton sayısı artar.

Dolayısıyla soğurulan fotonların sayısı ve buna bağlı olarak saniyede dışarı atılan elektronların sayısı da orantılı olarak artar.

2. Kinetik enerjiyi formül (4) ile ifade edelim:

Gerçekte, fırlatılan elektronların kinetik enerjisi frekansla doğrusal olarak artar ve ışık yoğunluğuna bağlı değildir.

Kinetik enerjinin frekansa bağımlılığı, noktadan geçen düz bir çizginin denklemi biçimindedir. Bu, Şekil 2'deki grafiğin gidişatını tam olarak açıklamaktadır. 3.

3. Fotoelektrik etkinin başlayabilmesi için foton enerjisinin en azından iş fonksiyonunu tamamlamaya yeterli olması gerekir: . Eşitlikle belirlenen en küçük frekans

bu fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı olacaktır. Görebildiğimiz gibi fotoelektrik etkinin kırmızı sınırı yalnızca iş fonksiyonu tarafından belirlenir. yalnızca ışınlanmış katot yüzeyinin maddesine bağlıdır.

Eğer öyleyse, katoda saniyede kaç foton düşerse düşsün, fotoelektrik etki olmayacaktır. Bu nedenle ışık şiddetinin bir önemi yoktur; asıl mesele, bireysel bir fotonun bir elektronu devirmeye yetecek enerjiye sahip olup olmadığıdır.

Einstein'ın denklemi (4), Planck sabitini deneysel olarak bulmayı mümkün kılar. Bunu yapmak için öncelikle katot malzemesinin radyasyon frekansını ve iş fonksiyonunu belirlemek ve ayrıca fotoelektronların kinetik enerjisini ölçmek gerekir.

Bu tür deneyler sırasında (3) ile tam olarak örtüşen bir değer elde edildi. Termal radyasyon spektrumuna ve Einstein'ın fotoelektrik etki denklemine dayanan iki bağımsız deneyin sonuçlarının bu kadar tesadüfi olması, ışık ve madde etkileşiminin gerçekleştiği tamamen yeni "oyun kurallarının" keşfedildiği anlamına geliyordu. Bu alanda Newton mekaniği ve Maxwell elektrodinamiği tarafından temsil edilen klasik fizik yerini kuantum fiziği- inşaatı bugün devam eden mikro dünya teorisi.

Dahili fotoelektrik etki 1873 yılında Amerikalı W. Smith ve İngiliz J. May tarafından keşfedildi. Yani harici fotoelektrik etkiden daha erken.

Okul ortamında dahili fotoelektrik etkiyi gözlemlemek için, bir fotodiyot (LED ile karıştırılmamalıdır) veya ışığın yarı iletken kristale girmesine izin vermek için metal kapağı dikkatlice kesilmiş eski bir transistör kullanabilirsiniz. Bir doğrultucuya ve bir galvanometreye bağlarsanız, gün ışığında bile kristalin iletkenliğinin nasıl keskin bir şekilde arttığını gözlemleyebilirsiniz. Bu iletkenliğe fotoiletkenlik denir.

İç fotoelektrik etkinin yasaları, dış yasalardan çok daha karmaşıktır ve bunları burada ele almayacağız. Bununla birlikte, bunların kimyadan bildiğiniz değerlik, elektronik seviyeler vb. kavramlarına dayandığını ve yarı iletkenlerde fotoelektrik etkinin oluşumunu açıklamamıza olanak sağladığını belirtmek isteriz.

Dış fotoelektrik etki, 20. yüzyılın ilk yarısında teknolojide uygulama alanı buldu. Bu elbette daha önce sessiz sinemanın sesi. Fotosel, film üzerinde "fotoğraflanan" sesi duyulabilir sese dönüştürmenize olanak tanır. Sıradan bir lambanın ışığı filmin ses bandından geçerek değişti ve fotosele çarptı (bkz. fotoğraf). Parçadan ne kadar çok ışık geçerse, hoparlörden gelen ses de o kadar yüksek olur. Cansız doğada, dış fotoelektrik etki gezegen ölçeğinde milyonlarca yıl boyunca kendini gösterir. Dünya atmosferinin atomlarını ve moleküllerini etkileyen güçlü güneş radyasyonu, elektronları onlardan uzaklaştırır, yani atmosferin üst katmanlarını iyonize eder.

Dahili fotoğraf efekti şu anda teknolojide harici olandan çok daha sık kullanılmaktadır. Örneğin, fotovoltaik hücrelerde ve uzay aracındaki dev güneş panellerinde ışığı elektrik akımına dönüştürüyor. Fotoefekt aynı zamanda fotodirençler, fotodiyotlar, fototransistörler gibi ışığa duyarlı özel cihazlarda da "çalışır". Bu sayede konveyör üzerindeki parçaları sayabilir veya çeşitli mekanizmaları (işaret lambaları, sokak aydınlatması, otomatik kapı açma vb.) otomatik olarak açıp kapatabilirsiniz. Ayrıca dahili fotoelektrik etki sayesinde görüntüleri elektrik sinyallerine dönüştürerek uzak mesafelere (televizyon) iletmek mümkündür.

Günümüzde fotoelektrik etkinin en geniş ölçekli uygulaması halihazırda inşa edilmiş güneş enerjisi santrallerinde ve birkaç yüz megawatt'a kadar kapasiteye sahip bu tür yeni istasyonların inşasına yönelik projelerdedir. Uzmanlar, 2020 yılında dünya elektriğinin %20'ye kadarının Dünya'da ve uzayda güneş enerjisinin fotovoltaik dönüşümü yoluyla üretileceğini tahmin ediyor.

(C) 2012. Lyukina Tatyana Vitalievna (Kemerovo bölgesi, Leninsk-Kuznetsky)