Фотоелектричен ефект

Од Википедија — слободната енциклопедија
Прејди на: содржини, барај

Фотоелектричен ефект — физичка појава при која електроните се исфрлени од атомите, кога тие се изложени на енергијата од светлината. Електроните исфрлени на овој начин се наречени фотоелектрони.[1][2]

Во 1887, Хајнрих Херц[2][3] забележал дека електродите осветлени со ултравиолетова светлина создаваат електрични искри мошне полесно. Во 1905 Алберт Ајнштајн објави труд кој ги објаснуваше експерименталните податоци од фотоелектричниот ефект како резултат на фактот дека енергијата на светлината е пренесена во дискретни квантни пакети. Ова откритие доведе до квантна револуција. Ајнштајн беше награден со Нобелова награда во 1921 г. за неговото откритие на „законот на фотоелектричниот ефект“.[4]

За да настане Фотоелектричниот ефект потребни се фотони со енергии од неколку електронволти па до над 1 MeV кај елементите со големи атомски броеви. Проучувањата на фотоелектричниот ефект доведоа до спознавање на квантната природа на светлината и електроните и помогна во создавањето на концептот дуалитет бран-честичка.[1] Останатите појави во кои светлината влијае на движењето на електричните полнежи се наречени фотоспроводлив ефект,( познат и како фотоспроводливост или пак фотоотпорност ), фотоволтаичниот ефект и фотоелектрохемискиот ефект. Се надоврза на Планковото pоткритие т.н. Планкова равенка (E = hf) поврзувајќи ја енергијата (E) и фреквенцијата (f) како последица на квантуваната природа на енергијата. Ознаката h е позната како Планкова константа.

Механизам на избивање на електроните[уреди]

Фотоните од светлосниот зрак имаат карактеристична енергија пропорционална со фреквенцијата на светлината. Ако некој електрон од материјалот ја впие енергијата на фотонот и впие енергија поголема од енергијата на врзување истиот ќе биде исфрлен од материјалот. ако енергијата на фотонот е многу мала, електронот нема да го напушти материјалот. Со зголемувањњето на јачината на светлинскиот зрак се зголемува бројот на фотони во истиот, со што се зголемува бројот на возбудени електрони, но не се зголемува енергијата која ја поседува секој од електроните. Енергијата на исфрлените електрони не зависи од јачината на светлината, туку само од енергијата ( еквивалентната фреквенција ) на поединечните фотони. Всушност станува збор за заемодејство меѓу фотонот и електроните од највисокото енергетско ниво.

Eлектроните можат да впијат енергија од фотоните кога се озрачени, но обично го следат принципот „на се или ништо“. Целата енергија од еден фотон може да биде впиена и искористена за да се исфрли електрон од атомското јадро, во спротивно енергијата ќе биде преодадена. Ако енергијата на фотонот е впиена, дел од истата го исфрла електронот од атомот, а остатокот придонесува за кинетичката енергија на електронот како слободна честичка.[5][6][7]

Експериментални набљудувања на фотоелектричниот ефект[уреди]

Теоријата на фотоелектричниот ефект мора да ги објасни и експерименталните набљудувања на исфрлените електрони од осветлени метални површини.

За одреден метал, постои одредена минимална фреквенција на случајно озрачување под која не се исфрлаат фотоелектрони. Оваа фреквенција се нарекува „праг на фреквенција“. Со зголемувањето на фреквенцијата на упадниот зрак, зачувувајќи го бројот на упадните фотони фиксен се зголемува максималната кинетичка енергија на исфрлените фотоелектрони. Но се зголемува запирачкиот напон. Бројот на електрони се менува со фактот дека секој фотон ќе исфрли електрон и на тој начин се добива функција на енергијата на фотонот. Ако јачината на упадното зрачење се зголеми тоа нема да има ефект на енергијата на фотоелектроните.

Над прагот на фреквенцијата максималната кинетичка енергија на исфрлените фотоелектрони ќе зависи од фреквенцијата ан упадната светлина, но е независно од јачината на упадната светлина се до оној момент се додека јачината на светлината не е многу голема.[8]

За одреден метал и фреквенција на упадно зрачење, стапката со која се исфрлени фотоелектроните е правопропорционална со јачината на упадната светлина. Со зголемувањето на јачината на упадниот зрак ( одржувајќи ја фреквенцијата фиксна ) се зголемува силината на фотоелектричната струја, но запирниот напон останува ист.Временското задоцнување меѓу упадното зрачење и исфрлањето на фото е мошне мала, помала од електронот 10−9 секунди.

Математички опис[уреди]

Дијаграм од максималната кинетичка енергија како функција од фреквенцијата на светлината и цинкот

Максималната кинетичка енергија K_{\mathrm{max}} на исфрлениот електрон е дадена со релацијата

K_{\mathrm{max}} = h\,f - \varphi,

каде h е планковата константа и f е фреквенцијата на упадниот фотон. Записот \varphi е работната функција (некогаш означена како W, или \phi[9]), со што се добива минималната енергија потребна за да се отстрни или помести електрон од површината на металот. Работната функција го задоволува условот

\varphi = h\,f_0,

каде f_0 е прагот на фреквенција за металот. Максималната кинетичка енергија на исфрлениот електрон е

K_{\mathrm{max}} = h \left(f - f_0\right).

Кинетичката енергија е позитивна па се добива f > f_0 што е потребно за да настане фотоелектричниот ефект.[10]

Употреби и корисност[уреди]

Фотомултипликатори[уреди]

Crystal Clear app xmag.svg Главна статија: „Фотомултипликатор.

Станува збор за екстремно светлинско-осетливи вакуумски лампи Фотокатоди ставени на крајниот дел од внатрешноста на лампата. Фотокатодата е составена од материјали како цезиум, рубидиум и антимон кои се специјално одбрани за да овозможат ниска работна функција, па кога ќе бидат осветлени дури и со најмала светлина, фотокатодата ослободува електрони. Со помош на серии од (диноди) со повисоки потенцијали, овие електрони се забрзани со значително зголемен број низ секундарно оддавање за да се добие струја која може да се измери. Фотомултипликаторите сè уште се во употреба кога треба да се измери ниско ниво на светлина.[11]

Поврзано[уреди]

Наводи[уреди]

  1. 1,0 1,1 Сервеј, Р. A. (1990). „Physics for Scientists & Engineers“ (3то издание). Saunders. стр. 1150. ISBN 0-03-030258-7. 
  2. 2,0 2,1 Сирс, Ф. В.; Земански, М. В.; Јанг, Х. Д. (1983). „University Physics“ (6то издание). Addison-Wesley. стр. 843–844. ISBN 0-201-07195-9. 
  3. Херц, Х. (1887). „Ueber den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung“. „Annalen der Physik267 (8): стр. 983–1000. doi:10.1002/andp.18872670827. Bibcode1887AnP...267..983H. 
  4. „Нобелова награда за физика 1921“. Нобелова фондација. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1921/index.html. конс. 16 март 2013. 
  5. Ленард, Р. (1902). „Ueber die lichtelektrische Wirkung“. „Annalen der Physik313 (5): 149–198. doi:10.1002/andp.19023130510. Bibcode1902AnP...313..149L. 
  6. Миликан, Р. (1914). „A Direct Determination of "h."“. „Physical Review4 (1): 73–75. doi:10.1103/PhysRev.4.73.2. Bibcode1914PhRv....4R..73M. 
  7. Миликан, Р. (1916). „A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"“. „Physical Review7 (3): 355–388. doi:10.1103/PhysRev.7.355. Bibcode1916PhRv....7..355M. http://www.fisica.net/quantica/millikan_a_direct_photoelectric_determination_of_plancks_h.pdf. 
  8. Џанг, Ч. (1996). „Intensity dependence of the photoelectric effect induced by a circularly polarized laser beam“. „Physics Letters A216 (1–5): 125. doi:10.1016/0375-9601(96)00259-9. Bibcode1996PhLA..216..125Z. 
  9. Ми, С.; Крундел, м.; Арнолд, Б.; Браун, В. (2011). „International A/AS Level Physics“. Hodder Education. стр. стр.241. ISBN 978-0-340-94564-3. 
  10. Фромхолд, А. T. (1991). „Quantum Mechanics for Applied Physics and Engineering“. Courier Dover Publications. стр. стр.5–6. ISBN 978-0-486-66741-6. 
  11. Тимоти, Џ. Гетхин (2010), Мартин Ц.И. (ed.) Observing Photons in Space, ISSI Scientific Report 009, ESA Communications, стр. 365–408, ISBN 978-92-9221-938-3