Kateri znanstvenik je postavil tri zakone fotoelektričnega učinka? Pojav zunanjega fotoelektričnega učinka

YAGMA

Medicinska fizika

Medicinska fakulteta

1 tečaj

2. semester

Predavanje št. 9

"foto učinek"

Sestavil: Babenko N.I.

2011

Foto učinek. Zakoni zunanji fotoelektrični učinek.

Foto učinek– skupina pojavov, povezanih z oddajanjem elektronov vzbujenih atomov snovi zaradi energije absorbiranih fotonov. Leta 1887 ga je odkril nemški znanstvenik Hertz. Eksperimentalno preučeval ruski znanstvenik A.G. Stoletov (1888 - 1890) teoretično razložil A. Einstein (1905).

Vrste fotoelektričnega učinka.

Notranji foto učinek:

A. Sprememba prevodnosti medija pod vplivom svetlobe, učinek fotorezista, značilno za polprevodnike.

b. Sprememba dielektrične konstante medija pod vplivom svetlobe, fotodielektrični učinek, tipično za dielektrike.

V. Pojav foto EMF, fotovoltaični učinek, značilno za nehomogene polprevodnike str in n- vrsta.

Zunanji fotoefekt :

To je pojav sproščanja (emisije) elektronov iz snovi v vakuum zaradi energije absorbiranih fotonov.

fotoelektroni- To so elektroni, iztrgani iz atomov snovi zaradi fotoelektričnega učinka.

fototok- To elektrika, ki nastane z urejenim gibanjem fotoelektronov v zunanjem električnem polju.

Svetloba (F)"K" in "A" - elektrode,

postavljeno v vakuum

"V" - določa napetost

med elektrodama

"G" - beleži fototok

K(-) A(+) “P” - potenciometer za

spremembe napetosti

"F" - svetlobni tok

riž. 1. Naprava za preučevanje zakonov zunanjega fotoelektričnega učinka.

I. Zakon zunanjega fotoelektričnega učinka (Stoletov zakon).

Z
ali nasičenega fototoka (tj. števila elektronov, ki jih katoda izpusti na časovno enoto) je sorazmerna z svetlobni tok padec na kovino (slika 2).

kjer je k sorazmernostni koeficient ali občutljivost kovine na fotoelektrični učinek

riž. 2. Odvisnost nasičenih fototokov (I 1, I 2, I 3) od jakosti svetlobnih tokov: Ф 1 > Ф 2 > Ф 3. Frekvenca vpadnih svetlobnih tokov je konstantna.

II zakon fotoelektričnega učinka (Einstein-Lenardov zakon).

Če zamenjate pole izvorne baterije ((K(+), A(-)), se med katodo (K) in anodo (A) pojavi električno polje, ki zavira gibanje elektronov. Pri določeni blokadi vrednost povratne napetosti U3 je fototok enak 0 (slika 3).

riž. Sl. 3. Odvisnost nasičenih fototokov za različne frekvence vpadne svetlobe pri konstantni jakosti vpadne svetlobe.

V tem primeru elektroni, ki uhajajo iz katode, tudi pri največji hitrosti Vmax, ne bodo mogli skozi blokirno polje.

Z merjenjem vrednosti blokirne napetosti Uз je mogoče določiti največjo kinetično energijo E k max elektronov, ki jih izbije sevanje. Pri spreminjanju jakosti svetlobnega toka F največja kinetična energija E k max se ne spremeni, če pa povečate frekvenco elektromagnetno sevanje(spremenite vidno svetlobo v ultravijolično), potem se bo največja kinetična energija E k max fotoelektronov povečala.

n
Začetna kinetična energija fotoelektrona je sorazmerna s frekvenco vpadnega sevanja in ni odvisna od njegove jakosti.

kjer je h Planckova konstanta, v je frekvenca vpadne svetlobe.

III zakon zunanjega fotoelektričnega učinka (zakon rdeče obrobe).

Če katodo zaporedno obsevamo z različnimi monokromatskimi sevanji, lahko ugotovimo, da z večanjem valovne dolžine λ energija fotoelektronov pada in pri določeni vrednosti valovne dolžine λ zunanji fotoelektrični učinek preneha.

Najdaljša valovna dolžinaλ (ali najnižja vrednost frekvencev), pri katerem še vedno obstaja zunanji fotoelektrični učinek, imenujemordeča obroba s foto učinkom za dano snov.

Za srebro λcr = 260 nm

Za cezij λcr =>620 nm

2. Einsteinova enačba in njena uporaba na tri zakone fotoelektričnega učinka.

IN
Leta 1905 je Einstein dopolnil Planckovo teorijo s predpostavko, da svetlobo v interakciji s snovjo absorbirajo isti elementarni deli (kvanti, fotoni), kot se oddaja po Planckovi teoriji.

Foton je delec, ki nima mase mirovanja (m 0 =0), giblje pa se s hitrostjo, ki je enaka hitrosti svetlobe v vakuumu (c = 3·10 8 m/s).

Kvantna– del energije fotona.

Einsteinova enačba za fotoelektrični učinek temelji na treh postulatih:

1. Fotoni medsebojno delujejo z elektroni atoma snovi in ​​jih ti popolnoma absorbirajo.

2. En foton interagira samo z enim elektronom.

3. Vsak absorbiran foton sprosti en elektron. V tem primeru se energija fotona "ħλ" porabi za delovno funkcijo "ē" s površine snovi A ven in za kinetično energijo, ki ji je posredovana.

ћ·ν = ћ· =
- Einsteinova enačba

Ta energija "ħν" bo največja, če se elektroni ločijo od površine.

Uporaba enačbe za razlago treh zakonov fotoelektričnega učinka.

K prvemu zakonu:

Z naraščanjem intenzivnosti monokromatskega sevanja se povečuje število kvantov, ki jih kovina absorbira, zato se povečuje tudi število elektronov, ki iz nje uhajajo, in moč fototoka:

K drugemu zakonu:

IN
iz Einsteinovih enačb:

Tisti. E k max fotoelektrona je odvisen samo od vrste kovine (A out) in od frekvence ν(λ) vpadnega sevanja in ni odvisen od jakosti sevanja (F).

K III zakonu:

ħν<А вых – то при любой интенсивности излученя фотоэффекта не будет, т.к. этой энергии фотона не хватит, чтобы вырвать ē из вещества.

ħν>A out – opazen je fotoelektrični učinek, saj je energije fotona dovolj tako za delo izhoda A out kot za sporočanje ē kinetične energije E do max.

ħν=A out – meja fotoelektričnega učinka, pri kateri

in energija fotona zadostuje samo za izstop ē s kovinske površine.

V tem primeru je Einsteinova enačba videti takole:

rdeča obroba s foto učinkom

Zakoni zunanjega fotoelektričnega učinka

Skupaj s toplotnim sevanjem, pojav, ki ne sodi v okvir klasična fizika, je fotoelektrični učinek.

Zunanji fotoelektrični učinek je pojav oddajanja elektronov snovi, ko jo obsevajo elektromagnetni valovi.

Fotoelektrični učinek je leta 1887 odkril Hertz. Opazil je, da je iskra med cinkovimi kroglicami olajšana, če je mediskrična reža obsevana s svetlobo. Zakon zunanjega fotoelektričnega učinka je leta 1888 eksperimentalno proučeval Stoletov. Diagram za preučevanje fotoelektričnega učinka je prikazan na sliki 1.

Katoda in anoda sta nameščeni v vakuumski cevi, saj neznatna kontaminacija kovinske površine vpliva na emisijo elektronov. Katoda je osvetljena z monokromatsko svetlobo skozi kvarčno okno (kremen za razliko od navadnega stekla prepušča ultravijolično svetlobo). Napetost med anodo in katodo se nastavlja s potenciometrom in meri z voltmetrom. Dve bateriji, povezani druga proti drugi, omogočata spreminjanje vrednosti in predznaka napetosti s pomočjo potenciometra. Moč fototoka merimo z galvanometrom.

Na sl.2. krivulje, ki prikazujejo odvisnost jakosti fototoka od napetosti, ki ustreza različni katodni osvetlitvi in ​​(). Frekvenca svetlobe je v obeh primerih enaka.

kjer in sta naboj in masa elektrona.

Z naraščanjem napetosti se povečuje fototok, saj vse večje število fotoelektroni dosežejo anodo. Največjo vrednost fototoka imenujemo nasičeni fototok. Ustreza vrednostim napetosti, pri katerih vsi elektroni, izbiti iz katode, dosežejo anodo: , kjer je število fotoelektronov, oddanih s katode v 1 sekundi.

Stoletov je eksperimentalno ugotovil naslednje zakone fotoelektričnega učinka:

Pri razlagi drugega in tretjega zakona so se pojavile resne težave. Po elektromagnetni teoriji naj bi bil izmet prostih elektronov iz kovine posledica njihovega "nihanja" v električnem polju valovanja. Potem ni jasno, zakaj je največja hitrost oddanih elektronov odvisna od frekvence svetlobe, ne pa od amplitude nihanja vektorja jakosti električnega polja in s tem povezane intenzitete valovanja. Težave pri razlagi drugega in tretjega zakona fotoelektričnega učinka so sprožile dvome o univerzalni uporabnosti valovne teorije svetlobe.

Einsteinova enačba za fotoelektrični učinek

Leta 1905 je Einstein s svojo predlagano kvantno teorijo razložil zakone fotoelektričnega učinka. Svetloba se ne oddaja samo po frekvenci, kot je domneval Planck, ampak jo snov v določenih delih (kvantih) tudi absorbira. Svetloba je tok diskretnih svetlobnih kvantov (fotonov), ki se gibljejo s svetlobno hitrostjo. Kvantna energija je enaka. Vsak kvant absorbira le en elektron. Zato mora biti število izbitih elektronov sorazmerno z jakostjo svetlobe (1. zakon fotoelektričnega učinka).

Energija vpadnega fotona se porabi za to, da elektron opravi delo zapuščanja kovine in za posredovanje kinetične energije oddanemu fotoelektronu:

(2)

Enačba (2) se imenuje Einsteinova enačba za zunanji fotoelektrični učinek. Einsteinova enačba pojasnjuje drugi in tretji zakon fotoelektričnega učinka. Iz enačbe (2) neposredno sledi, da največja kinetična energija narašča z naraščajočo frekvenco vpadne svetlobe. Z zmanjševanjem frekvence se kinetična energija zmanjšuje in pri določeni frekvenci postane enaka nič in fotoelektrični učinek preneha (). Od tod

kjer je število absorbiranih fotonov.

V tem primeru se rdeča meja fotoelektričnega učinka premakne proti nižjim frekvencam:

Poleg zunanjega fotoelektričnega učinka poznamo tudi notranji fotoefekt. Pri obsevanju trdnih in tekočih polprevodnikov ter dielektrikov se elektroni premaknejo iz vezanega stanja v prosto stanje, vendar ne odletijo ven. Prisotnost prostih elektronov povzroči fotoprevodnost. Fotoprevodnost je povečanje električne prevodnosti snovi pod vplivom svetlobe.

Foton in njegove lastnosti

Pojave interference, difrakcije in polarizacije je mogoče razložiti samo z valovanjem svetlobe. Vendar pa fotoelektrični učinek in toplotno sevanje– samo korpuskularno (svetloba je tok fotonov). Val in kvantni opis lastnosti svetlobe se dopolnjujejo. Svetloba je hkrati val in delec. Osnovne enačbe, ki vzpostavljajo povezavo med valovnimi in korpuskularnimi lastnostmi, so naslednje:

In so količine, ki označujejo delec, in so valovanje.

Maso fotona najdemo iz razmerja (6): .

Foton je delec, ki se vedno giblje s svetlobno hitrostjo in ima maso mirovanja nič. Gibalna količina fotona je enaka: .

Comptonov učinek

Najbolj popolne korpuskularne lastnosti se kažejo v Comptonovem učinku. Leta 1923 Ameriški fizik Compton je študiral sipanje rentgenski žarki na parafin, katerega atomi so lahki.

Z valovnega vidika je sipanje rentgenskih žarkov posledica prisilnega nihanja elektronov snovi, tako da mora frekvenca sipane svetlobe sovpadati s frekvenco vpadne svetlobe. Vendar pa je bila v razpršeni svetlobi najdena daljša valovna dolžina. ni odvisna od valovne dolžine sipanih rentgenskih žarkov in od materiala sipajoče snovi, temveč je odvisna od smeri sipanja. Naj bo torej kot med smerjo primarnega žarka in smerjo razpršene svetlobe , kjer je (m).

Ta zakon velja za lahke atome ( , , , ), katerih elektroni so šibko vezani na jedro. Proces sipanja lahko razložimo z elastičnim trkom fotonov z elektroni. Ko so izpostavljeni rentgenskim žarkom, se elektroni zlahka ločijo od atoma. Zato lahko razmislimo o sipanju na prostih elektronih. Foton z gibalno količino trči v mirujoči elektron in mu preda del energije, sam pa pridobi gibalno količino (slika 3).

Slika 3.

Z uporabo zakonov o ohranitvi energije in gibalne količine za absolutno elastični udar dobimo naslednji izraz: , ki sovpada s poskusnim, medtem ko , ki dokazuje korpuskularno teorijo svetlobe.

Luminescenca, fotoluminiscenca in njeni osnovni principi

Luminescenca je neravnovesno sevanje, ki je pri določeni temperaturi presežek toplotnega sevanja. Luminescenca se pojavi pod vplivom zunanjih vplivov, ki jih ne povzroča segrevanje telesa. To je hladen sijaj. Glede na način vzbujanja jih ločimo: fotoluminiscenco (pod vplivom svetlobe), kemiluminiscenco (pod vplivom kemične reakcije), katodoluminiscenca (pod vplivom hitrih elektronov) in elektroluminiscenca (pod vplivom električnega polja).

Luminescenca se ustavi takoj(-e) po izginotju zunanji vpliv, se imenuje fluorescenca. Če luminiscenca izgine v s po koncu osvetlitve, se imenuje fosforescenca.

Snovi, ki svetijo, imenujemo fosforji. Sem spadajo spojine urana, redkih zemelj, pa tudi konjugirani sistemi, v katerih se vezi izmenjujejo, aromatske spojine: fluorescein, benzen, naftalen, antracen.

Fotoluminiscenca upošteva Stokesov zakon: frekvenca vzbujajoče svetlobe je večja od frekvence oddajanja , kjer je del absorbirane energije, ki se spremeni v toploto.

Glavna značilnost luminiscence je kvantni izkoristek enako razmerjuštevilo absorbiranih kvantov glede na število oddanih. Obstajajo snovi, katerih kvantni izkoristek je blizu 1 (na primer fluorescein). Antracen ima kvantni izkoristek 0,27.

Prejel je pojav luminiscence široka uporaba na praksi. Na primer, analiza luminiscence je metoda za določanje sestave snovi z njenim značilnim sijajem. Metoda je zelo občutljiva (približno ) za zaznavanje majhnih količin nečistoč in se uporablja za natančne raziskave s področja kemije, biologije, medicine in živilske industrije.

Luminescentna detekcija napak vam omogoča odkrivanje najfinejših razpok na površini strojnih delov (površina, ki jo pregledujemo, je prekrita z luminescentno raztopino, ki po odstranitvi ostane v razpokah).

Fosforji se uporabljajo v fluorescenčnih sijalkah in so aktivni medij optični kvantni generatorji, ki se uporabljajo v elektronsko-optičnih pretvornikih. Uporablja se za izdelavo svetlobnih indikatorjev za različne naprave.

Fizikalna načela naprave za nočno opazovanje

Osnova naprave je elektronsko-optični pretvornik (EOC), ki pretvarja očesu nevidno sliko predmeta v IR žarkih v vidno sliko (slika 4).

Slika 4.

1 – fotokatoda, 2 – elektronska leča, 3 – luminescentni zaslon,

Infrardeče sevanje od predmeta povzroči fotoelektronsko emisijo s površine fotokatode, količina emisije iz različnih delov slednje pa se spreminja v skladu s porazdelitvijo svetlosti slike, ki je projicirana nanjo. Fotoelektrone pospeši električno polje v območju med fotokatodo in zaslonom, elektronska leča jih fokusira in obstreli zaslon ter povzroči, da zasije. Intenzivnost sijaja posameznih točk zaslona je odvisna od gostote pretoka fotoelektronov, zaradi česar se na zaslonu pojavi vidna slika predmeta.

Uvod

1. Zgodovina odkritja fotoelektričnega učinka

2. Stoletovovi zakoni

3. Einsteinova enačba

4. Notranji fotoelektrični učinek

5. Uporaba pojava fotoelektričnega učinka

Bibliografija

Uvod

Številne optične pojave so dosledno razlagali na podlagi idej o valovni naravi svetlobe. Vendar pa v konec XIX– začetek 20. stoletja odkrili in preučevali so pojave, kot je fotoelektrični učinek, rentgensko sevanje, Comptonov učinek, sevanje atomov in molekul, toplotno sevanje in drugi, katerih razlaga z valovnega vidika se je izkazala za nemogočo. Pojasnilo novega eksperimentalna dejstva je bila pridobljena na podlagi korpuskularnih predstav o naravi svetlobe. Nastala je paradoksalna situacija, ki vključuje uporabo popolnoma nasprotnih fizičnih modelov valov in delcev za razlago optični pojavi. V nekaterih pojavih se je pokazala svetloba valovne lastnosti, v drugih - korpuskularno.

Med različnimi pojavi, v katerih se kaže vpliv svetlobe na snov, zavzemajo pomembno mesto fotoelektrični učinek, to je emisija elektronov snovi pod vplivom svetlobe. Analiza tega pojava je privedla do ideje o svetlobnih kvantih in je imela izjemno pomembno vlogo pomembno vlogo v razvoju sodobnih teoretičnih konceptov. Hkrati se fotoelektrični učinek uporablja v fotocelicah, ki so dobile izjemno široko uporabo v raznolika področja znanosti in tehnologije ter obetajo še bogatejše možnosti.

1. Zgodovina odkritja fotoelektričnega učinka

Odkritje fotoelektričnega učinka je treba pripisati letu 1887, ko je Hertz ugotovil, da osvetlitev elektrod napetega iskrišča z ultravijolično svetlobo olajša prehod iskre med njimi.

Pojav, ki ga je odkril Hertz, lahko opazujemo v naslednjem lahko izvedljivem poskusu (slika 1).

Velikost iskrišča F je izbrana tako, da v tokokrogu, sestavljenem iz transformatorja T in kondenzatorja C, iskra s težavo preskoči (enkrat ali dvakrat na minuto). Če elektrode F, izdelane iz čistega cinka, osvetlimo s svetlobo živosrebrne žarnice Hg, je praznjenje kondenzatorja močno olajšano: iskra začne preskakovati sl. 1. Shema Hertzovega poskusa.

Fotoelektrični učinek je leta 1905 razložil Albert Einstein (za kar je prejel a Nobelova nagrada) temelji na hipotezi Maxa Plancka o kvantni naravi svetlobe. Einsteinovo delo je vsebovalo pomembno novo hipotezo – če je Planck predlagal, da se svetloba oddaja samo v kvantiziranih delih, potem je že Einstein verjel, da svetloba obstaja samo v obliki kvantnih delov. Iz ideje o svetlobi kot delcih (fotonih) takoj sledi Einsteinova formula za fotoelektrični učinek:

Ta formula implicira obstoj rdeče meje fotoelektričnega učinka. Tako je bila raziskava fotoelektričnega učinka ena prvih kvantnomehanskih študij.

2. Stoletovovi zakoni

Prvič (1888–1890), ki je podrobno analiziral pojav fotoelektričnega učinka, je ruski fizik A.G. Stoletov prejel načeloma pomembne rezultate. Za razliko od prejšnjih raziskovalcev je vzel majhno potencialno razliko med elektrodama. Shema Stoletovega eksperimenta je prikazana na sl. 2.

Dve elektrodi (ena v obliki mreže, druga - ravna), ki se nahajata v vakuumu, sta pritrjeni na baterijo. Za merjenje nastalega toka se uporablja ampermeter, priključen na tokokrog. Z obsevanjem katode s svetlobo različnih valovnih dolžin je Stoletov prišel do zaključka, da imajo najučinkovitejši učinek ultravijolični žarki. Poleg tega je bilo ugotovljeno, da je moč toka, ki ga ustvarja svetloba, neposredno sorazmerna z njeno jakostjo.

Leta 1898 sta Lenard in Thomson uporabila metodo odklona nabojev v električnih in magnetna polja določil specifični naboj nabitih delcev, izvrženih iz sl. 2. Shema Stoletovega poskusa.

svetlobo iz katode in prejel izraz

S povzetkom dobljenih rezultatov je bilo ugotovljeno naslednje vzorcev fotoefekt:

1. S stalnim spektralna sestava svetlobe je jakost nasičenega fototoka premosorazmerna s svetlobnim tokom, ki vpada na katodo.

2. Začetna kinetična energija elektronov, ki jih izbije svetloba, narašča linearno z naraščajočo frekvenco svetlobe in ni odvisna od njene jakosti.

3. Fotoelektrični učinek ne nastane, če je frekvenca svetlobe manjša od določene vrednosti, značilne za vsako kovino

Prvo pravilnost fotoelektričnega efekta, kot tudi sam pojav fotoelektričnega efekta, lahko preprosto razložimo na podlagi zakonov klasične fizike. Pravzaprav svetlobno polje, ki deluje na elektrone v kovini, vzbuja njihove vibracije. Amplituda prisilna nihanja lahko doseže vrednost, pri kateri elektroni zapustijo kovino; takrat opazimo fotoelektrični učinek.

Ker je po klasični teoriji jakost svetlobe premo sorazmerna s kvadratom električnega vektorja, število izbitih elektronov narašča z naraščajočo jakostjo svetlobe.

Drugi in tretji zakon fotoelektričnega učinka nista pojasnjena z zakoni klasične fizike.

Preučevanje odvisnosti fototoka (slika 3), ki nastane, ko je kovina obsevana s tokom monokromatske svetlobe, od potencialne razlike med elektrodama (to odvisnost običajno imenujemo volt-amperska karakteristika fototoka), je Ugotovljeno je bilo, da: 1) fototok nastane ne samo, ko

potencial je odvisen od frekvence vpadne svetlobe; fototok

8) hitrost izbitih elektronov pod vplivom svetlobe ni odvisna od jakosti svetlobe, temveč le od njene frekvence.

3. Einsteinova enačba

Pojav fotoelektričnega učinka in vse njegove zakonitosti so dobro razloženi s pomočjo kvantne teorije svetlobe, ki potrjuje kvantno naravo svetlobe.

Kot smo že omenili, Einstein (1905) razvija kvantna teorija Planck je predstavil idejo, da ne le emisija in absorpcija, ampak tudi širjenje svetlobe poteka v delih (kvantih), katerih energija in zagon.

Teorija

Fotoelektrični učinek je izbijanje elektronov iz snovi pod vplivom svetlobe. V kovini se elektron prosto giblje, ko pa zapusti površino, postane kovina sama zaradi tega naelektrena pozitivni naboj in preprečuje beg. Zato mora imeti elektron, da zapusti kovino, dodatno energijo, odvisno od snovi. Ta energija se imenuje delovna funkcija.

Če želite preučiti fotoelektrični učinek, lahko sestavite postavitev, prikazano na sl. 1. Sestavljen je iz steklenega valja, iz katerega je izčrpan zrak. Okno, skozi katerega pada svetloba, je iz kremenčevega stekla, ki prepušča vidne in ultravijolične žarke. Znotraj cilindra sta spajkani dve elektrodi: ena od njih, katoda, je osvetljena skozi okence. Med elektrodama vir ustvari električno polje, ki povzroči premik fotoelektronov od katode k anodi.

premikajoči se elektroni tvorijo električni tok (fototok). Ko se spremeni napetost, se spremeni tok. Graf odvisnosti jaz od U- tokovno-napetostna karakteristika - prikazana na sl. 2. Pri nizkih napetostih vsi elektroni, izbiti iz katode, ne dosežejo anode, ko se napetost poveča, se njihovo število poveča. Pri določeni napetosti vsi elektroni, ki jih izbije svetloba, dosežejo anodo, nato se vzpostavi tok nasičenja jaz n, z nadaljnjim povečanjem napetosti se tok ne spremeni.

Ko se intenzivnost vpadnega sevanja poveča, opazimo povečanje toka nasičenja, sorazmerno s številom izbitih elektronov. Prvi zakon fotoelektričnega učinka pravi, da je število elektronov, ki jih svetloba izbije s površine kovine, sorazmerno z absorbirano energijo svetlobnega vala.

Če želite izmeriti kinetično energijo elektronov, morate spremeniti polarnost tokovnega vira. Na grafu ta primer ustreza odseku na U, pri kateri fototok pade na nič. Zdaj polje ne pospešuje, ampak upočasnjuje fotoelektrone. Pri določeni napetosti, imenovani zakasnitev U 3, fototok izgine. V tem primeru bo vse elektrone ustavilo polje, nato pa jih bo polje vrnilo na prejšnjo katodo, tako kot bo kamen, vržen navzgor, zaustavilo gravitacijsko polje Zemlje in ga ponovno vrnilo na Zemljo.

Delo sil električnega polja A = qU 3, porabljena za zaviranje elektrona, je enaka spremembi kinetične energije elektrona, tj. m v 2/2 = qU 3, Kje m- masa elektrona, v - njegova hitrost, q- napolniti. To je z merjenjem napetosti zakasnitve U 3, definiramo največjo kinetično energijo. Izkazalo se je, da največja kinetična energija elektronov ni odvisna od jakosti svetlobe, temveč le od frekvence. Ta trditev se imenuje 2. zakon fotoelektričnega učinka.

Pri določeni mejni frekvenci svetlobe, ki je odvisna od konkretne snovi, in pri nižjih frekvencah fotoelektričnega učinka ni opaziti. Ta mejna frekvenca se imenuje "rdeča" meja fotoelektričnega učinka.

A. Einstein je leta 1905 razložil zakone fotoelektričnega učinka. Uporabil je Planckovo idejo o kvantni naravi svetlobe. Energija enega kvanta svetlobe E = hν. Če predpostavimo, da en kvant svetlobe izbije en elektron, potem energija kvanta E gre za opravljanje delovne funkcije elektrona A in mu sporočiti kinetično energijo mv 2/2. To je

hν = A + mv 2 /2.

Ta enačba se imenuje Einsteinova enačba za fotoelektrični učinek.

Razložimo 1. zakon fotoelektričnega učinka s stališča Einsteinovih idej. Če en kvant energije izbije en elektron, potem več kvantov, kot jih snov absorbira (večja kot je jakost svetlobe), več elektronov bo odletelo iz snovi.

Razložimo drugi zakon fotoelektričnega učinka. Delovna funkcija A odvisno od vrste snovi in ​​ni odvisno od frekvence svetlobe. Kinetična energija elektrona, izbitega iz snovi, je mv 2 /2=h - A odvisno od frekvence svetlobe ν : Višja kot je frekvenca, več kinetične energije bo prejel elektron. Jakost svetlobe ne vpliva na kinetično energijo elektrona, ker Einsteinova enačba opisuje energijo posameznega elektrona. Ne glede na to, koliko elektronov se odda, je hitrost vsakega od njih odvisna od frekvence.

Einsteinova formula pojasnjuje tudi dejstvo, da lahko svetloba določene frekvence odstrani elektron iz ene snovi, ne more pa iz druge. Za vsako snov opazimo fotoelektrični učinek, če je energija svetlobnega kvanta večja oz v skrajnem primeru, je enak delovni funkciji ( hν ≥ A). Mejna frekvenca, pri kateri je fotoelektrični učinek še možen, je ν min = A/h. To je frekvenca, pri kateri se elektroni izločijo, ne da bi jim posredovali kinetično energijo - frekvenca "rdeče meje" fotoelektričnega učinka.

Zapišimo Einsteinovo enačbo za primer, ko je kinetična energija elektrona po velikosti enaka delu sil električnega polja, to je pri zadrževalni napetosti:

hν = A + qU 3.

Od tod U 3 = -A/q + (h/q)ν.

Narišimo odvisnost napetosti zakasnitve od frekvence (slika 3). Iz formule je razvidno, da je odvisnost U 3 od ν je linearna. Tangens naklona grafa:

tg α = ΔU 3 /Δν = h/q.

Zato je Planckova konstanta:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Ta formula se uporablja za eksperimentalno določanje Planckova konstanta.

Leta 1887 je Heinrich Rudolf Hertz odkril pojav, ki so ga kasneje poimenovali fotoelektrični učinek. Njegovo bistvo je opredelil takole:

Če svetlobo živosrebrne žarnice usmerimo na kovinski natrij, bodo elektroni odleteli z njegove površine.

Sodobna formulacija fotoelektričnega učinka je drugačna:

Ko kvanti svetlobe padejo na snov in se ob njihovi kasnejši absorpciji, se nabiti delci delno ali v celoti sprostijo v snov.

Z drugimi besedami, ko se svetlobni fotoni absorbirajo, opazimo naslednje:

1. Emisija elektronov iz snovi
2. Sprememba električne prevodnosti snovi
3. Pojav foto-EMF na vmesniku medijev z različno prevodnostjo (na primer kovina-polprevodnik)

Trenutno obstajajo tri vrste fotoelektričnega učinka:

1. Notranji fotoefekt. Sestoji iz spreminjanja prevodnosti polprevodnikov. Uporablja se v fotorezistorjih, ki se uporabljajo v rentgenskih žarkih in dozimetrih. ultravijolično sevanje, ki se uporablja tudi v medicinskih napravah (oksimeter) in požarnih alarmih.
2. Fotoučinek ventila. Sestoji iz pojava foto-EMF na meji snovi s različni tipi prevodnost, kot posledica ločitve nosilcev električni naboj električno polje. Uporablja se v na sončno energijo, v selenskih fotocelicah in senzorjih, ki beležijo nivoje svetlobe.
3. Zunanji fotoefekt. Kot smo že omenili, je to proces, ko elektroni zapustijo snov v vakuumu pod vplivom kvantov elektromagnetnega sevanja.

Zakoni zunanjega fotoelektričnega učinka.

Na prelomu 20. stoletja sta jih postavila Filip Lenard in Aleksander Grigorjevič Stoletov. Ti znanstveniki so izmerili število izbitih elektronov in njihovo hitrost kot funkcijo intenzivnosti in frekvence uporabljenega sevanja.

Prvi zakon (Stoletov zakon):

Moč nasičenega fototoka je premo sorazmerna s svetlobnim tokom, tj. vpadno sevanje na snov.

Teoretična formulacija: Ko je napetost med elektrodama enaka nič, fototoka ni enako nič. To je razloženo z dejstvom, da imajo elektroni po izstopu iz kovine kinetično energijo. Če je med anodo in katodo napetost, se jakost fototoka povečuje z naraščajočo napetostjo in pri določeni vrednosti napetosti tok doseže svojo največja vrednost(fotografija nasičenosti). To pomeni, da pri ustvarjanju toka sodelujejo vsi elektroni, ki jih vsako sekundo odda katoda pod vplivom elektromagnetnega sevanja. Ko se polarnost spremeni, tok pade in kmalu postane enako nič. Tukaj elektron deluje proti zaviralnemu polju zaradi kinetične energije. Z večanjem intenzivnosti sevanja (povečanje števila fotonov) se povečuje število energijskih kvantov, ki jih absorbira kovina, posledično pa se povečuje tudi število oddanih elektronov. To pomeni, da večji kot je svetlobni tok, večji je fototok nasičenja.

I f us ~ F, I f us = k F

k - koeficient sorazmernosti. Občutljivost je odvisna od narave kovine. Občutljivost kovine na fotoelektrični učinek narašča z naraščajočo frekvenco svetlobe (ko se valovna dolžina zmanjšuje).

To besedilo zakona je tehnično. Velja za vakuumske fotovoltaične naprave.

Število emitiranih elektronov je neposredno sorazmerno z gostoto vpadnega toka s konstantno spektralno sestavo.

Drugi zakon (Einsteinov zakon):

Največja začetna kinetična energija fotoelektrona je sorazmerna s frekvenco vpadnega sevalnega toka in ni odvisna od njegove jakosti.

E kē = => ~ hυ

Tretji zakon (zakon "rdeče meje"):

Za vsako snov obstaja najmanjša frekvenca ali največja valovna dolžina, nad katero ni fotoelektričnega učinka.

Ta frekvenca (valovna dolžina) se imenuje "rdeči rob" fotoelektričnega učinka.

Tako ugotovi pogoje fotoelektričnega učinka za dano snov v odvisnosti od delovne funkcije elektrona iz snovi in ​​od energije vpadnih fotonov.

Če energija fotona manj dela Ko elektron zapusti snov, ni fotoelektričnega učinka. Če energija fotona presega delovno funkcijo, potem njen presežek po absorpciji fotona preide na začetno kinetično energijo fotoelektrona.

Z njim razložimo zakonitosti fotoelektričnega učinka.

Einsteinova enačba za fotoelektrični učinek je poseben primer zakona o ohranitvi in ​​transformaciji energije. Svojo teorijo je zasnoval na zakonih še nastajajoče kvantne fizike.

Einstein je oblikoval tri predloge:

1. Ko so izpostavljeni elektronom snovi, se vpadni fotoni popolnoma absorbirajo.
2. En foton interagira le z enim elektronom.
3. En absorbiran foton prispeva k sprostitvi le enega fotoelektrona z določeno E kē.

Energija fotona se porabi za delo (Aout) elektrona iz snovi in ​​za njegovo začetno kinetično energijo, ki bo največja, če elektron zapusti površino snovi.

E kē = hυ - A izhod

Večja kot je frekvenca vpadnega sevanja, večja je energija fotonov in več (minus delovna funkcija) ostane za začetno kinetično energijo fotoelektronov.

Intenzivnejše kot je vpadno sevanje, več fotonov vstopi v svetlobni tok in več elektronov lahko uide iz snovi in ​​sodeluje pri ustvarjanju fototoka. Zato je jakost nasičenega fototoka sorazmerna s svetlobnim tokom (I f us ~ F). Vendar začetna kinetična energija ni odvisna od intenzivnosti, ker En elektron absorbira energijo samo enega fotona.