Suyun termal genleşmesinin özelliklerini açıklar. Sıvıların termal genleşmesi

Basit deneyler ve gözlemler bizi, sıcaklık arttıkça cisimlerin boyutlarının biraz arttığına, soğutulduğunda ise eski boyutlarına küçüldüğüne ikna ediyor. Yani örneğin çok sıcak bir cıvata, soğukken serbestçe oturduğu dişe sığmaz. Cıvata soğuduğunda dişlere tekrar girer. Telgraf telleri sıcak yaz havalarında, yaz aylarına göre gözle görülür derecede daha fazla sarkıyor kış donları. Isıtıldığında elektrik çarpması tel uzar ve sarkar; Akım kesildiğinde eski konumuna döner. Sarkmadaki artış ve dolayısıyla ısıtıldığında gerilmiş tellerin uzunluğundaki artış deneysel olarak kolaylıkla yeniden üretilebilir. Gerilmiş teli elektrik akımıyla ısıttığımızda gözle görülür şekilde sarktığını ve ısınma durduğunda tekrar sıkılaştığını görüyoruz.

Isıtıldığında sadece gövdenin uzunluğu değil aynı zamanda diğer doğrusal boyutlar da artar. Isıtıldığında bir cismin doğrusal boyutlarında meydana gelen değişime doğrusal genleşme denir. Homojen bir gövde (örneğin bir cam tüp) tüm parçaları eşit şekilde ısıtılırsa genişler ve şeklini korur. Düzensiz ısıtmada ise bunun tersi meydana gelir. Bu deneyimi değerlendirelim. Cam tüp yatay olarak konumlandırılmıştır ve bir ucu sabittir. Tüp alttan ısıtılırsa, camın zayıf ısı iletkenliği nedeniyle üst kısmı daha soğuk kalır.

A) Soğuk halde bakır ve demir şeritlerden perçinlenmiş bir levha. b) Aynı plaka ısıtılmış halde (açıklık sağlamak için bükülme abartılı gösterilmiştir) Buhar hattındaki kompansatör A ve B borularının genleşmesine izin verir. Demir köprülerin bazı kısımlarının gündüzleri perçinlendiği, geceleri soğuduğu ve çökerek çok sayıda perçinin koptuğu durumlar vardı. Bu tür olayları önlemek için, sıcaklık değiştiğinde yapı parçalarının serbestçe genleşmesini veya büzülmesini sağlayacak önlemler alınır. Örneğin, demir buhar hatları ilmek şeklinde yaylı kıvrımlarla donatılmıştır.

Doğrusal boyutlardaki bir artışa vücut hacmindeki bir artış eşlik eder ( hacim genişletme tel). Sıvının doğrusal genleşmesi hakkında konuşmak imkansızdır çünkü sıvının belli bir şekil. Sıvıların hacimsel genleşmesini gözlemlemek zor değildir. Şişeyi renkli su veya başka bir sıvıyla doldurun ve sıvının tüpe girmesi için cam tüplü bir tıpayla kapatın. Eğer bir gemi getirirsen sıcak su sonra tüpteki sıvı önce düşecek, sonra yükselmeye başlayacak. İlk anda sıvı seviyesindeki bir azalma, kabın önce genişlediğini ve sıvının henüz ısınmak için zamanı olmadığını gösterir. Daha sonra sıvı ısınır. a) Renkli su şişeden tıpaya girmiştir. b) Sıcak su dolu bir kap alttan balona getirilir. Şişenin daldırılmasının ilk anında tüpteki sıvı alçalır. c) Bir süre sonra tüpteki seviye, şişenin ısıtılmasından önceki seviyeye göre daha yüksek hale gelir.

Doğada suyun genleşmesine örnekler Dünya yüzeyinde en çok bulunan madde olan su, onu diğer birçok sıvıdan ayıran bir özelliğe sahiptir. Yalnızca 4 °C'nin üzerinde ısıtıldığında genleşir. 0 ila 4 °C arasında ise ısıtıldığında suyun hacmi azalır. Bu nedenle suyun en büyük yoğunluğu 4°C'de bulunur. Bu veriler tatlı (kimyasal olarak saf) suya ilişkindir. sen deniz suyu en yüksek yoğunluk yaklaşık 3 °C'de gözlenir. Basıncın artması sıcaklığın da düşmesine neden olur en yüksek yoğunluk su. Suyun genleşmesinin özellikleri Dünya iklimi için çok büyük öneme sahiptir. En Dünya yüzeyinin %79'u sularla kaplıdır. Su yüzeyine düşen güneş ışınları kısmen ondan yansır, kısmen suya nüfuz ederek onu ısıtır. Su sıcaklığı düşükse, ısıtılan katmanlar (örneğin 2 °C'de) soğuk olanlardan (örneğin 1 °C'de) daha yoğundur ve bu nedenle aşağıya doğru çöker. Yerlerini soğuk katmanlar alıyor, bu katmanlar da ısınıyor. Böylece, maksimum yoğunluğa karşılık gelen sıcaklığa ulaşılana kadar tüm su sütununun eşit şekilde ısıtılmasına katkıda bulunan su katmanlarında sürekli bir değişiklik olur. Daha fazla ısıtıldığında üst katmanlar giderek daha az yoğunlaşır ve bu nedenle üstte kalır. Sonuç olarak, büyük su katmanları nispeten kolay bir şekilde ısınır. güneş ışınları yalnızca suyun en yüksek yoğunluğunun sıcaklığına kadar; Alt katmanların daha fazla ısıtılması son derece yavaş ilerler. Aksine, suyun en yüksek yoğunluğun sıcaklığına kadar soğutulması nispeten hızlı bir şekilde gerçekleşir. daha sonra soğutma işlemi yavaşlar. Bütün bunlar, Dünya yüzeyindeki derin su kütlelerinin belirli bir derinlikten başlayarak en yüksek su yoğunluğunun sıcaklığına (4 ° C) yakın bir sıcaklığa sahip olmasına yol açmaktadır. Sıcak ülkelerde denizlerin üst katmanları çok daha yüksek sıcaklığa (30°C veya daha fazla) sahip olabilir.

Termal genleşme - sıcaklığı değiştiğinde vücudun doğrusal boyutlarında ve şeklinde bir değişiklik. Katıların termal genleşmesini karakterize etmek için doğrusal termal genleşme katsayısı tanıtılır.

Termal genleşme mekanizması katılar aşağıdaki gibi temsil edilebilir. Eğer sağlam bir vücuda sahip olursak termal enerji daha sonra kafes içindeki atomların titreşimi nedeniyle ısının emilmesi süreci meydana gelir. Bu durumda atomların titreşimleri daha da yoğunlaşır. genlikleri ve frekansları artar. Atomlar arasındaki mesafe arttıkça atomlar arası potansiyel ile karakterize edilen potansiyel enerji de artar.

İkincisi, itici ve çekici kuvvetlerin potansiyellerinin toplamı ile ifade edilir. Atomlar arasındaki itme kuvvetleri, atomlar arası mesafedeki değişikliklerle çekici kuvvetlerden daha hızlı değişir; Sonuç olarak, minimum enerji eğrisinin şekli asimetrik hale gelir ve atomlar arası denge mesafesi artar. Bu olay termal genleşmeye karşılık gelir.

Bağımlılık potansiyel enerji Moleküllerin aralarındaki mesafeye bağlı olarak etkileşimi, termal genleşmenin nedenini bulmayı mümkün kılar. Şekil 9.2'den görülebileceği gibi potansiyel enerji eğrisi oldukça asimetriktir. Minimum değerden çok hızlı (dik bir şekilde) artar E p0(noktada R 0) azalırken R ve arttıkça nispeten yavaş büyüyor R.

Şekil 2.5

Mutlak sıfırda denge durumunda moleküller birbirlerinden belli bir uzaklıkta olacaktır. R 0 karşılık gelen minimum değer potansiyel enerji E p0 . Moleküller ısındıkça denge konumları etrafında titreşmeye başlarlar. Salınım aralığı ortalama enerji değerine göre belirlenir E. Potansiyel eğrisi simetrik olsaydı molekülün ortalama konumu yine de mesafeye karşılık gelirdi. R 0. Bu, ısıtıldığında moleküller arasındaki ortalama mesafelerin genel olarak değişmezliği ve dolayısıyla termal genleşmenin olmaması anlamına gelir. Aslında eğri asimetriktir. Bu nedenle ne zaman ortalama enerji, eşit , titreşen bir molekülün ortalama konumu mesafeye karşılık gelir r1> r 0.

İki komşu molekül arasındaki ortalama mesafedeki değişiklik, vücuttaki tüm moleküller arasındaki mesafedeki değişiklik anlamına gelir. Bu nedenle vücut büyüklüğü artar. Vücudun daha fazla ısıtılması, molekülün ortalama enerjisinde belirli bir değere artışa yol açar , vb. Aynı zamanda moleküller arasındaki ortalama mesafe de artar, çünkü artık yeni denge konumu etrafında titreşimler daha büyük bir genlikle meydana gelir: r2 > r 1, r 3 > r 2 vesaire.

Sıcaklık değiştiğinde (üniform ısıtma veya soğutma ile) şekli değişmeyen katılarla ilgili olarak, doğrusal boyutlardaki bir değişiklik (uzunluk, çap vb.) - doğrusal genleşme ve hacimdeki bir değişiklik arasında bir ayrım yapılır. - hacimsel genişleme. Sıvılar ısıtıldığında şekil değiştirebilir (örneğin termometrede cıva kılcal damara girer). Bu nedenle sıvılar söz konusu olduğunda yalnızca hacimsel genleşmeden bahsetmek mantıklıdır.

Termal genleşmenin temel yasası katı cisimlerin doğrusal boyutlu bir cisim olduğunu belirtir L 0 sıcaklığı arttığında ΔTΔ kadar genişler L, şuna eşit:

Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)

Nerede α - sözde doğrusal termal genleşme katsayısı.

Bir cismin alanı ve hacmindeki değişiklikleri hesaplamak için benzer formüller mevcuttur. Sunulan en basit durumda, termal genleşme katsayısı ne sıcaklığa ne de genleşme yönüne bağlı olmadığında, madde yukarıdaki formüle tam olarak uygun olarak her yönde eşit şekilde genişleyecektir.

Katsayı doğrusal genişleme maddenin doğasına ve sıcaklığa bağlıdır. Ancak sıcaklık değişimlerini çok geniş olmayan sınırlar içinde düşünürsek, α'nın sıcaklığa bağımlılığı ihmal edilebilir ve doğrusal genleşme sıcaklık katsayısı belirli bir madde için sabit bir değer olarak kabul edilebilir. Bu durumda cismin doğrusal boyutları (2.28) formülünden aşağıdaki gibi sıcaklık değişimine bağlıdır:

L = L 0 ( 1 +αΔT) (2.29)

Katı maddeler arasında balmumu en çok genleşen maddedir ve bu açıdan birçok sıvıyı geride bırakır. Türüne bağlı olarak mumun termal genleşme katsayısı demirinkinden 25 ila 120 kat daha fazladır. Sıvılardan en çok eter genişler. Bununla birlikte, +20 santigrat derecede eterden 9 kat daha güçlü bir şekilde genişleyen sıvı karbondioksit (CO3) vardır. Genleşme katsayısı gazlarınkinden 4 kat daha fazladır.

Kuvars camı, katılar arasında en düşük termal genleşme katsayısına sahiptir - demirden 40 kat daha az. 1000 dereceye kadar ısıtılan bir kuvars şişesi güvenli bir şekilde içine indirilebilir. buzlu su kabın bütünlüğünden korkmadan: şişe patlamaz. Elmas ayrıca kuvars camından daha büyük olmasına rağmen düşük bir genleşme katsayısına sahiptir.

Metallerden en az genleşen çelik türüne Invar denir; ısıl genleşme katsayısı sıradan çeliğinkinden 80 kat daha azdır.

Aşağıdaki Tablo 2.1'de bazı maddelerin hacimsel genleşme katsayıları gösterilmektedir.

Tablo 2.1 - Bazı gazların, sıvıların ve katıların atmosferik basınçtaki izobarik genleşme katsayısının değeri

Güvenlik soruları

1. Normal titreşimlerin frekansa göre dağılımını karakterize edin.

2. Fonon nedir?

3. Açıklayın fiziksel anlam Debye sıcaklıkları. Belirli bir madde için Debye sıcaklığını ne belirler?

4. Neden ne zaman düşük sıcaklıklar Bir kristalin kafes ısı kapasitesi sabit kalmıyor mu?

5. Bir katının ısı kapasitesine ne denir? Nasıl belirlenir?

6. Kristal kafes ısı kapasitesi Cresh'in T sıcaklığına bağımlılığını açıklayın.

7. Kafesin molar ısı kapasitesi için Dulong-Petit yasasını elde edin.

8. Kristal kafesin molar ısı kapasitesi için Debye yasasını elde edin.

9. Elektronik ısı kapasitesinin metalin molar ısı kapasitesine katkısı nedir?

10. Bir katının ısıl iletkenliği nedir? Nasıl karakterize edilir? Metal ve dielektrik durumlarda ısıl iletkenlik nasıl oluşur?

11. Kristal kafesin ısıl iletkenliği sıcaklığa nasıl bağlıdır? Açıklamak.

12. Isı iletkenliğini tanımlayın elektron gazı. Karşılaştırmak χ el Ve χ çöz metallerde ve dielektriklerde.

13. Katıların ısıl genleşmesinin mekanizmasını fiziksel olarak açıklayın? CTE negatif olabilir mi? Cevabınız evet ise nedenini açıklayın.

14. Isıl genleşme katsayısının sıcaklığa bağımlılığını açıklayınız.

3 Numaralı Bilet

“Cisimlerin termal genleşmesi. Termometre. Sıcaklık ölçekleri. Doğada ve teknolojide cisimlerin termal genleşmesinin önemi. Suyun termal genleşmesinin özellikleri"

Termal genleşme- sıcaklığı değiştiğinde bir cismin doğrusal boyutlarında ve şeklinde değişiklik.

Neden: Vücudun sıcaklığı artar -> moleküllerin hareket hızı artar -> titreşimlerin genliği artar -> moleküller arasındaki mesafe artar ve dolayısıyla vücudun boyutu artar.

Moleküllerin kütleleri farklı olduğundan farklı cisimler ısıtıldığında farklı şekilde genişler. kinetik enerji ve moleküller arası mesafeler farklı şekilde değişir.

Sıvıların ve gazların kantitatif termal genleşmesi sabit basınç karakterize edilmiş volumetrik termal genleşme katsayısı (β).

V=V0(1+β(tson-başlangıç))

Burada V son sıcaklıktaki cismin hacmidir, V0 ise başlangıç ​​sıcaklığındaki cismin hacmidir

Katıların termal genleşmesini karakterize etmek için ek olarak katsayı eklenir. doğrusal termal genleşme (α)

l=l0 (1+α(tson-başlangıç))

Burada l son sıcaklıktaki cismin uzunluğu, l0 ise başlangıç ​​sıcaklığındaki cismin uzunluğu

Termometre- sıcaklık ölçüm cihazı

Termometrenin etkisi sıvının termal genleşmesine dayanır.

1597 yılında Galileo tarafından icat edilmiştir.

Termometre türleri:

· cıva (-35 ile 750 santigrat derece arası)

alkol (-80 ila 70 santigrat derece)

· pentan (-200 ila 35 santigrat derece)

Ölçekler:

Fahrenhayt. 1732'de Fahrenheit - boruları alkolle doldurdu, daha sonra cıvaya geçti. Ölçeğin sıfırı - kar karışımının amonyakla sıcaklığı veya sofra tuzu. Suyun donma noktası 32°F'tır. Sıcaklık sağlıklı insan– 96°F. Su 212°F sıcaklıkta kaynar.

santigrat. İsveçli fizikçi Celsius, 1742. Bir sıvının donma noktası 0°C, kaynama noktası 100°C'dir.

Kelvin ölçeği. 1848'de İngiliz fizikçi William Thomson (Lord Kelvin). Başlangıç ​​noktası “ mutlak sıfır" - -273.15°С. Bu sıcaklıkta moleküllerin termal hareketi durur. 1°K=1°C

Aslında, mutlak sıfıra ulaşılamıyor.

Günlük yaşamda ve teknolojide termal genleşme çok önemlidir. Elektrikte demiryolları Elektrikli lokomotifleri kış ve yaz aylarında besleyen telin sürekli gerginliğini korumak gerekir. Bunu yapmak için, bir ucu tele bağlanan, diğer ucu bir bloğun üzerine atılan ve ona bir yük asılan bir kablo ile teldeki gerilim oluşturulur.

Bir köprü inşa ederken kafes kirişin bir ucu silindirlerin üzerine yerleştirilir. Bu yapılmazsa, yazın genişleyip kışın daraldığında kafes kiriş, köprünün dayandığı payandaları gevşetecektir.

Akkor lamba yapılırken camın içinden geçen telin bir kısmının genleşme katsayısı camla aynı olan bir malzemeden yapılması gerekir, aksi takdirde çatlayabilir.

Güç hattı kabloları kırılmayı önlemek için asla gerilmez.

Buhar boru hatları dirsekler ve kompansatörlerle donatılmıştır.

Havanın termal genleşmesi büyük rol oynar doğal olaylardaki rolü. Havanın termal genleşmesi hareket yaratır hava kütleleri dikey yönde (ısıtılmış, daha az yoğun hava yükselir, soğuktur ve aşağı doğru daha az yoğundur). Havanın dengesiz ısınması farklı parçalar toprak rüzgara neden olur. Suyun dengesiz ısınması okyanuslarda akıntılara neden olur.

Isıtma ve soğutma sırasında kayalar Günlük ve yıllık sıcaklık dalgalanmaları nedeniyle (kayanın bileşimi heterojen ise), kayaların tahrip olmasına katkıda bulunan çatlaklar oluşur.

Dünya yüzeyinde en çok bulunan madde su- Diğer birçok sıvıdan ayıran bir özelliği vardır. Sadece 4 °C'nin üzerine ısıtıldığında genleşir. 0 ila 4 °C arasında ise ısıtıldığında suyun hacmi azalır. Bu nedenle suyun en büyük yoğunluğu 4°C'de bulunur. Bu veriler tatlı (kimyasal olarak saf) suya ilişkindir. Deniz suyu yaklaşık 3 °C'de en yüksek yoğunluğa sahiptir. Basınçtaki bir artış aynı zamanda suyun en yüksek yoğunluğunun sıcaklığını da düşürür.

Isıtıldığında bir cismin doğrusal boyutlarındaki değişiklik, sıcaklıktaki değişiklikle orantılıdır.

Maddelerin büyük çoğunluğu ısıtıldığında genleşir. Bu, mekanik ısı teorisi açısından kolayca açıklanabilir, çünkü ısıtıldığında bir maddenin molekülleri veya atomları daha hızlı hareket etmeye başlar. Katılarda atomlar, kristal kafes içindeki ortalama konumları etrafında daha büyük genlikle titremeye başlarlar ve daha fazla boş alana ihtiyaç duyarlar. Sonuç olarak vücut genişler. Benzer şekilde, serbest moleküllerin termal hareket hızındaki artış nedeniyle sıvılar ve gazlar çoğunlukla artan sıcaklıkla genleşir ( santimetre. Boyle-Mariotte Yasası, Charles Yasası, İdeal Gaz Denklemi).

Termal genleşmenin temel yasası, doğrusal büyüklükteki bir cismin L sıcaklığı Δ arttığında karşılık gelen boyutta TΔ kadar genişler L, şuna eşit:

Δ L = aLΔ T

Nerede α — sözde doğrusal termal genleşme katsayısı. Bir cismin alanı ve hacmindeki değişiklikleri hesaplamak için de benzer formüller mevcuttur. Sunulan en basit durumda, termal genleşme katsayısı ne sıcaklığa ne de genleşme yönüne bağlı olmadığında, madde yukarıdaki formüle tam olarak uygun olarak her yönde eşit şekilde genişleyecektir.

Mühendisler için termal genleşme hayati öneme sahiptir. önemli fenomen. Karasal iklime sahip bir şehirde nehir üzerine çelik köprü tasarlanırken, yıl boyunca -40°C'den +40°C'ye kadar olası sıcaklık değişimlerini hesaba katmamak mümkün değildir. Bu tür değişiklikler değişime neden olacak toplam uzunluk köprünün birkaç metreye kadar yükselmesi ve köprünün yazın kalkmaması ve kışın güçlü çekme yükleri yaşamaması için tasarımcılar köprüyü ayrı bölümlerden oluşturarak bunları özel bağlantılarla birleştiriyor termal tampon bağlantıları Bunlar birbirine geçen ancak sıkı bir şekilde bağlı olmayan, sıcakta sıkı bir şekilde kapanan ve soğukta oldukça geniş bir şekilde ayrılan diş sıralarıdır. Açık uzun köprü Bu türden pek çok tampon olabilir.

Ancak tüm malzemeler, özellikle de kristal katılar, her yöne eşit şekilde genleşmez. Ve tüm malzemeler eşit şekilde genişlemez farklı sıcaklıklar. En parlayan örnek son tür- su. Su soğuduğunda çoğu madde gibi önce büzülür. Ancak +4°C'den 0°C donma noktasına kadar su soğutulduğunda genleşmeye, ısıtıldığında ise büzülmeye başlar (yukarıdaki formül açısından bakıldığında 0°C ile 0°C arasındaki sıcaklık aralığında diyebiliriz) +4°C suyun termal genleşme katsayısı α kabul eder negatif değer). Bu nadir etki sayesinde dünyanın denizleri ve okyanuslar çoğu durumda bile dibe kadar donmaz Şiddetli donlar: +4°C'den soğuk su, sıcak sudan daha az yoğun hale gelir ve yüzeye çıkar, sıcaklığı +4°C'nin üzerinde olan su dibe doğru yer değiştirir.

Ne buz var özgül ağırlık suyun yoğunluğundan daha düşük olması, gezegenimizdeki yaşamın varlığını borçlu olduğumuz suyun başka bir anormal özelliğidir (bir öncekiyle ilişkili olmasa da). Bu etki olmasaydı, buzlar nehirlerin, göllerin ve okyanusların dibine çökecek ve bunlar da yine donarak tüm canlıları öldürecekti.

Çoğu madde için, erime sırasında hacim artar, katılaşma sırasında azalır ve maddenin yoğunluğu da değişir.

Bir maddenin yoğunluğu erime sırasında azalır, katılaşma sırasında artar. Ancak erime sırasında yoğunluğu artan ve katılaşma sırasında azalan silikon, germanyum, bizmut gibi maddeler vardır. Bu maddeler aynı zamanda buz (su) içerir.

Deneyimler suyun en yüksek yoğunluğunun 4°C'de olduğunu göstermektedir. Bu yapısal özelliklerle açıklanmaktadır. kristal kafes buz. Eğer içindeyse sıvı hal moleküllerH2O birbirlerine yakın konumlandırılırlar, daha sonra kristalleşme sırasında yakındaki moleküller arasındaki mesafe artar ve moleküller arasındaki kristalde “boşluklar” oluşur. Bu nedenle suyun yoğunluğu buzdan daha büyüktür ve en yüksek değer 4°C'de Sıcaklık 4°C'den arttığında veya azaldığında suyun yoğunluğu azalır ve hacmi artar.

Dünya yüzeyinin neredeyse %80'inin suyla kaplı olması nedeniyle termal genleşme özellikleri Dünya'nın iklimi üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. Açık rezervuarlardaki suyu 1-2°C sıcaklıkta ısıtırken, farklı sıcaklıklara sahip su katmanlarında sürekli bir değişiklik olur. Bu, maksimum yoğunluğa karşılık gelen sıcaklığa ulaşılana kadar* gerçekleşir. Daha fazla ısıtıldığında üst katmanların yoğunluğu azalır ve bu nedenle üstte kalır. Bu, derin rezervuarlarda belirli bir derinlikten başlayarak su sıcaklığının en yüksek su yoğunluğunun sıcaklığına yakın olduğu gerçeğini açıklamaktadır.

Suyun termal genleşmesinin bu özelliği, rezervuarların kışın dibe kadar donmaması gerçeğini açıklamaktadır. Yüzey katmanı sıcaklığı 4°C'ye ulaşana kadar soğutulduğunda yoğunluk daha fazla olur ılık su yoğunluğun altında daha soğuktur, dolayısıyla daha sıcak su yükselir ve daha soğuk su alçalır.

0 ila 4°C sıcaklık aralığında yoğunluk değerleri değişir: artık daha yüksek sıcaklığa sahip olan su aşağıya doğru çöker ve daha soğuk olan su yukarı doğru hareket eder ve soğuyarak donar.

Donma sırasında suyun genleşmesi kayaların ve içinde bulunduğu damarların tahrip olmasına yol açar.

2. Fotoğraf efekti.

1900'de Alman fizikçi Max Planck bir hipotez öne sürdü: ışık ayrı kısımlarda - kuantumlarda (veya fotonlarda) yayılır ve emilir. Her fotonun enerjisi E = hv formülüyle belirlenir; burada h, Planck sabitidir;6,63 10 J s, v - ışığın frekansı. Planck'ın hipotezi birçok olguyu açıkladı: özellikle 1887'de Alman bilim adamı Heinrich Hertz tarafından keşfedilen ve Rus bilim adamı Alexander Grigorievich Stoletov tarafından deneysel olarak incelenen fotoelektrik etki olgusu.

Fotoelektrik etki, ışığın etkisi altındaki bir maddenin elektron yayması olgusudur. Eğer şarj edersen çinko levha, elektrometreye bağlı, negatif ve onu aydınlatıyor elektrik arkı(Şek. 35), elektrometre hızlı bir şekilde boşalacaktır.

Araştırmanın sonucunda aşağıdaki ampirik modeller oluşturuldu:

- 1 saniyede bir metalin yüzeyinden ışık tarafından yayılan elektronların sayısı, bu süre zarfında emilen ışık dalgasının enerjisiyle doğru orantılıdır;

- fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi ışığın frekansıyla doğrusal olarak artar ve yoğunluğuna bağlı değildir.

Ayrıca iki temel özellik oluşturulmuştur.

Birincisi, ataletsiz fotoelektrik etki: süreç, aydınlatma anında hemen başlar.

İkincisi, her metalin minimum frekans karakteristiğinin varlığıvmin - kırmızı kenarlık fotoğraf efekti . Bu frekans öyle kiv< vmin Fotoelektrik etki herhangi bir ışık enerjisinde meydana gelmez, ancak eğerv > vmin, daha sonra fotoelektrik etki düşük enerjide bile başlar.

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 (Avyh). İş fonksiyonu, bir metalden bir elektronu çıkarmak için gereken iştir.

Bu nedenle, emisyondan sonra elektronların maksimum kinetik enerjisi (başka kayıp yoksa) şuna eşittir:televizyon /2 - yv -Avykh. Buradan, . Bu denkleme Einstein denklemi denir.

Eğerhv< Авых o zaman fotoelektrik etki oluşmaz. Bu, fotoelektrik etkinin kırmızı sınırının şuna eşit olduğu anlamına gelir:vmin = A/ H .

Fotoelektrik etkiyi temel alan cihazlara fotosel denir. Bu tür en basit cihaz bir vakum fotoselidir. Böyle bir fotoselin dezavantajları düşük akım, uzun dalga radyasyona karşı düşük hassasiyet, imalat zorluğu, devrelerde kullanımının imkansızlığıdır. klima. Fotometride ışık yoğunluğunu, parlaklığını, aydınlatmayı ölçmek için, sinemada ses üretimi için, fototelgraf ve fotofonlarda, üretim süreçlerinin kontrolünde kullanılır.

Akım taşıyıcılarının konsantrasyonunun ışığın etkisi altında değiştiği yarı iletken fotoseller vardır. Elektrik devrelerinin otomatik kontrolünde (örneğin metro turnikelerinde), alternatif akım devrelerinde, yenilenemeyen akım kaynağı olarak saatlerde, mikro hesap makinelerinde, ilk güneş enerjili arabaların test edilmesinde ve güneş pillerinde kullanılmaktadır. yapay Dünya uyduları, gezegenlerarası ve yörüngesel otomatik istasyonlar.

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