Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εξαγωγής του φωτός των ηλεκτρονίων από το μέταλλο (εξωτερικό)

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από μια ουσία υπό τη δράση του φωτός (ή οποιασδήποτε άλλης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας). Στις συμπυκνωμένες ουσίες (στερεές και υγρές), διακρίνονται εξωτερικά και εσωτερικά φωτοηλεκτρικά φαινόμενα.

Το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (εκπομπή φωτοηλεκτρονίου) είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από μια ουσία υπό τη δράση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα ηλεκτρόνια που διαφεύγουν από μια ουσία κατά τη διάρκεια ενός εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια και το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από αυτά κατά τη διατεταγμένη κίνηση σε ένα εξωτερικό ηλεκτρικό πεδίο ονομάζεται φωτορεύμα.

Το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η ανακατανομή των ηλεκτρονίων σε ενεργειακές καταστάσεις σε στερεούς και υγρούς ημιαγωγούς και διηλεκτρικά, η οποία συμβαίνει υπό την επίδραση της ακτινοβολίας. Εκδηλώνεται με μια αλλαγή στη συγκέντρωση των φορέων φορτίου στο μέσο και οδηγεί στην εμφάνιση φωτοαγωγιμότητας ή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου της βαλβίδας.

Φωτοαγωγιμότητα είναι η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μιας ουσίας υπό την επίδραση της ακτινοβολίας.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο βαλβίδας είναι ένα είδος εσωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου - αυτό είναι το φαινόμενο EMF (φωτογραφία EMF) όταν φωτίζει την επαφή δύο διαφορετικών ημιαγωγών ή ενός ημιαγωγού και ενός μετάλλου (ελλείψει εξωτερικού ηλεκτρικού πεδίου). Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο της βαλβίδας ανοίγει το δρόμο για την άμεση μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική.

Το πολυφωτονικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι δυνατό εάν η ένταση του φωτός είναι πολύ υψηλή (για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε ακτίνες λέιζερ). Σε αυτή την περίπτωση, ένα ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται από ένα μέταλλο μπορεί ταυτόχρονα να λάβει ενέργεια όχι από ένα, αλλά από πολλά φωτόνια.

Οι νόμοι του Στολέτοφ

Πρώτος Νόμος
Ερευνώντας την εξάρτηση της ισχύος του ρεύματος στο μπαλόνι από την τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων με σταθερή ροή φωτός σε ένα από αυτά, καθιέρωσε τον πρώτο νόμο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Το φωτορεύμα κορεσμού είναι ανάλογο με τη ροή φωτός που προσπίπτει στο μέταλλο.

Επειδή η ένταση του ρεύματος καθορίζεται από το μέγεθος του φορτίου και η φωτεινή ροή καθορίζεται από την ενέργεια της δέσμης φωτός, τότε μπορούμε να πούμε:

ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εξουδετερώνονται από μια ουσία σε 1 δευτερόλεπτο είναι ανάλογος της έντασης του φωτός που πέφτει σε αυτήν την ουσία.

Δεύτερος νόμος

Αλλάζοντας τις συνθήκες φωτισμού στην ίδια εγκατάσταση, ο A. G. Stoletov ανακάλυψε τον δεύτερο νόμο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου: η κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός, αλλά εξαρτάται από τη συχνότητά του.

Από το πείραμα προέκυψε ότι εάν η συχνότητα του φωτός αυξηθεί, τότε με μια σταθερή ροή φωτός, αυξάνεται η τάση αποκλεισμού και, κατά συνέπεια, αυξάνεται και η κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων. Έτσι, η κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων αυξάνεται γραμμικά με τη συχνότητα του φωτός.

τρίτος νόμος

Αντικαθιστώντας το υλικό της φωτοκάθοδος στη συσκευή, ο Stoletov καθιέρωσε τον τρίτο νόμο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου: για κάθε ουσία υπάρχει ένα κόκκινο περίγραμμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, δηλ. υπάρχει μια ελάχιστη συχνότητα nmin στην οποία το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ακόμα δυνατό.

Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας, που γράφτηκε από τον Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, είναι η δήλωση ότι η ενέργεια ενός φωτονίου που αποκτάται από ένα ηλεκτρόνιο του επιτρέπει να φύγει από την επιφάνεια του αγωγού, έχοντας κάνει τη λειτουργία εργασίας. Η υπόλοιπη ενέργεια πραγματοποιείται με τη μορφή της κινητικής ενέργειας του ελεύθερου πλέον ηλεκτρονίου

Η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου δαπανάται στο ηλεκτρόνιο που εκτελεί τη συνάρτηση εργασίας Α από το μέταλλο και στην επικοινωνία της κινητικής ενέργειας mv2max/2 στο εκπεμπόμενο φωτοηλεκτρόνιο. Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας,

(203.1)

Η εξίσωση (203.1) ονομάζεται εξίσωση Αϊνστάιν για το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Εφέ Compton

Αλλαγή στο μήκος κύματος του φωτός κατά τη σκέδαση από δεσμευμένα ηλεκτρόνια

ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ RUTERFORD ΠΛΑΝΗΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΤΟΥ ΑΤΟΜΟΥ

Τα πειράματα του Ράδερφορντ. Η μάζα των ηλεκτρονίων είναι αρκετές χιλιάδες φορές μικρότερη από τη μάζα των ατόμων. Δεδομένου ότι το άτομο στο σύνολό του είναι ουδέτερο, επομένως, το μεγαλύτερο μέρος του ατόμου πέφτει στο θετικά φορτισμένο μέρος του.

Το 1906, ο Έρνεστ Ράδερφορντ πρότεινε να χρησιμοποιηθεί η ανίχνευση του ατόμου με τη βοήθεια σωματιδίων για να μελετηθεί πειραματικά η κατανομή του θετικού φορτίου και επομένως η μάζα μέσα στο άτομο. Αυτά τα σωματίδια προκύπτουν από τη διάσπαση του ραδίου και ορισμένων άλλων στοιχείων. Η μάζα τους είναι περίπου 8000 φορές η μάζα του ηλεκτρονίου και το θετικό φορτίο είναι ίσο σε συντελεστή με το διπλάσιο του φορτίου του ηλεκτρονίου. Αυτά δεν είναι παρά πλήρως ιονισμένα άτομα ηλίου. Η ταχύτητα των σωματιδίων είναι πολύ υψηλή: είναι το 1/15 της ταχύτητας του φωτός.

Με αυτά τα σωματίδια, ο Ράδερφορντ βομβάρδισε τα άτομα των βαρέων στοιχείων. Τα ηλεκτρόνια, λόγω της μικρής τους μάζας, δεν μπορούν να αλλάξουν αισθητά την τροχιά του σωματιδίου, όπως ένα βότσαλο πολλών δεκάδων γραμμαρίων σε μια σύγκρουση με ένα αυτοκίνητο δεν μπορεί να αλλάξει σημαντικά την ταχύτητά του.

Πλανητικό μοντέλο του ατόμου. Με βάση τα πειράματά του, ο Rutherford δημιούργησε ένα πλανητικό μοντέλο του ατόμου. Στο κέντρο του ατόμου βρίσκεται ένας θετικά φορτισμένος πυρήνας, στον οποίο συγκεντρώνεται σχεδόν όλη η μάζα του ατόμου. Γενικά, το άτομο είναι ουδέτερο. Επομένως, ο αριθμός των ενδοατομικών ηλεκτρονίων, καθώς και το φορτίο του πυρήνα, είναι ίσος με τον τακτικό αριθμό του στοιχείου στο περιοδικό σύστημα. Είναι σαφές ότι τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να ηρεμήσουν μέσα στο άτομο, αφού θα έπεφταν στον πυρήνα. Κινούνται γύρω από τον πυρήνα, ακριβώς όπως οι πλανήτες περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο. Αυτός ο χαρακτήρας της κίνησης των ηλεκτρονίων καθορίζεται από τη δράση των δυνάμεων έλξης Coulomb από την πλευρά του πυρήνα.

Νόμοι του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου

Μαζί με τη θερμική ακτινοβολία, ένα φαινόμενο που δεν εντάσσεται στο πλαίσιο της κλασικής φυσικής, είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εκπομπής ηλεκτρονίων από μια ουσία όταν ακτινοβολείται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ανακαλύφθηκε από τον Hertz το 1887. Παρατήρησε ότι ο σπινθήρας μεταξύ των σφαιρών ψευδαργύρου διευκολύνεται εάν το κενό μεταξύ των σπινθήρων ακτινοβοληθεί με φως. Πειραματικά, ο νόμος του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου μελετήθηκε από τον Stoletov το 1888. Το σχήμα για τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου φαίνεται στο Σχ. 1.

Εικ.1.

Η κάθοδος και η άνοδος βρίσκονται σε σωλήνα κενού, καθώς η αμελητέα μόλυνση της μεταλλικής επιφάνειας επηρεάζει την εκπομπή ηλεκτρονίων. Η κάθοδος φωτίζεται με μονοχρωματικό φως μέσω ενός παραθύρου χαλαζία (ο χαλαζίας, σε αντίθεση με το συνηθισμένο γυαλί, μεταδίδει υπεριώδες φως). Η τάση μεταξύ ανόδου και καθόδου ρυθμίζεται από ένα ποτενσιόμετρο και μετράται με ένα βολτόμετρο. Δύο επαναφορτιζόμενες μπαταρίες και, συνδεδεμένες μεταξύ τους, επιτρέπουν τη χρήση ενός ποτενσιόμετρου για την αλλαγή της τιμής και του πρόσημου της τάσης. Η ισχύς του φωτορεύματος μετριέται με γαλβανόμετρο.

Στο Σχ.2. Εμφανίζονται καμπύλες της εξάρτησης της ισχύος φωτορεύματος από την τάση, που αντιστοιχούν σε διαφορετικούς φωτισμούς της καθόδου και (). Η συχνότητα του φωτός είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις.

όπου και είναι το φορτίο και η μάζα του ηλεκτρονίου.

Καθώς η τάση αυξάνεται, το φωτορεύμα αυξάνεται καθώς όλο και περισσότερα φωτοηλεκτρόνια φτάνουν στην άνοδο. Η μέγιστη τιμή του φωτορεύματος ονομάζεται φωτορεύμα κορεσμού. Αντιστοιχεί σε τέτοιες τιμές τάσης στις οποίες όλα τα ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται από την κάθοδο φτάνουν στην άνοδο: , όπου είναι ο αριθμός των φωτοηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την κάθοδο σε 1 δευτερόλεπτο.

Ο Stoletov καθιέρωσε εμπειρικά τους ακόλουθους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου:

Προέκυψαν σοβαρές δυσκολίες στην εξήγηση του δεύτερου και του τρίτου νόμου. Σύμφωνα με την ηλεκτρομαγνητική θεωρία, το τράβηγμα των ελεύθερων ηλεκτρονίων από το μέταλλο θα πρέπει να είναι το αποτέλεσμα του «λικνίσματος» τους στο ηλεκτρικό πεδίο του κύματος. Τότε δεν είναι σαφές γιατί η μέγιστη ταχύτητα των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός και όχι από το πλάτος των ταλαντώσεων του διανύσματος έντασης ηλεκτρικού πεδίου και την ένταση του κύματος που σχετίζεται με αυτό. Οι δυσκολίες στην ερμηνεία του δεύτερου και του τρίτου νόμου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου δημιούργησαν αμφιβολίες σχετικά με την καθολική εφαρμογή της κυματικής θεωρίας του φωτός.

Η εξίσωση του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Το 1905, ο Αϊνστάιν εξήγησε τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου χρησιμοποιώντας την κβαντική θεωρία που πρότεινε. Το φως με συχνότητα όχι μόνο εκπέμπεται, όπως υπέθεσε ο Planck, αλλά απορροφάται επίσης από την ύλη σε ορισμένα μέρη (κβάντα). Το φως είναι ένα ρεύμα από διακριτά κβάντα φωτός (φωτόνια) που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός. Η κβαντική ενέργεια είναι . Κάθε κβάντο απορροφάται από ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Επομένως, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκτινάσσονται πρέπει να είναι ανάλογος με την ένταση του φωτός (1 νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου).

Η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου δαπανάται στο έργο εξόδου του ηλεκτρονίου από το μέταλλο και στην επικοινωνία της κινητικής ενέργειας στο εκπεμπόμενο φωτοηλεκτρόνιο:

(2)

Η εξίσωση (2) ονομάζεται εξίσωση Αϊνστάιν για το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Η εξίσωση του Αϊνστάιν καθιστά δυνατή την εξήγηση του δεύτερου και του τρίτου νόμου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Η εξίσωση (2) υπονοεί άμεσα ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας του προσπίπτοντος φωτός. Με τη φθίνουσα συχνότητα, η κινητική ενέργεια μειώνεται και σε μια ορισμένη συχνότητα γίνεται ίση με το μηδέν και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο σταματά (). Από εδώ

πού είναι ο αριθμός των φωτονίων που απορροφήθηκαν.

Σε αυτήν την περίπτωση, το κόκκινο περίγραμμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου μετατοπίζεται προς χαμηλότερες συχνότητες:

.

(5)

Εκτός από το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, είναι γνωστό και το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Όταν ακτινοβολούνται στερεοί και υγροί ημιαγωγοί και διηλεκτρικά, τα ηλεκτρόνια περνούν από τη δεσμευμένη κατάσταση στην ελεύθερη κατάσταση, αλλά δεν πετούν έξω. Η παρουσία ελεύθερων ηλεκτρονίων οδηγεί στην εμφάνιση φωτοαγωγιμότητας. Φωτοαγωγιμότητα είναι η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μιας ουσίας όταν εκτίθεται στο φως.

Το φωτόνιο και οι ιδιότητές του

Τα φαινόμενα παρεμβολής, περίθλασης, πόλωσης μπορούν να εξηγηθούν μόνο από τις κυματικές ιδιότητες του φωτός. Ωστόσο, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η θερμική ακτινοβολία είναι μόνο σωματιδιακά (υποθέτοντας ότι το φως είναι ένα ρεύμα φωτονίων). Οι κυματικές και κβαντικές περιγραφές των ιδιοτήτων του φωτός αλληλοσυμπληρώνονται. Το φως είναι και κύμα και σωματίδιο. Οι βασικές εξισώσεις που καθορίζουν τη σχέση μεταξύ ιδιοτήτων κύματος και σωματιδίου είναι οι εξής:

(7)

Και - ποσότητες που χαρακτηρίζουν το σωματίδιο, και - το κύμα.

Ας βρούμε τη μάζα ενός φωτονίου από τη σχέση (6): .

Ένα φωτόνιο είναι ένα σωματίδιο που κινείται πάντα με την ταχύτητα του φωτός και έχει μηδενική μάζα ηρεμίας. Η ορμή ενός φωτονίου είναι: .

Εφέ Compton

Οι πιο ολοκληρωμένες σωματικές ιδιότητες εκδηλώνονται στο φαινόμενο Compton. Το 1923, ο Αμερικανός φυσικός Compton ερεύνησε τη σκέδαση των ακτίνων Χ από την παραφίνη, τα άτομα της οποίας είναι ελαφριά.

Η σκέδαση των ακτίνων Χ από την άποψη του κύματος οφείλεται στις εξαναγκασμένες ταλαντώσεις των ηλεκτρονίων της ουσίας, έτσι ώστε η συχνότητα του σκεδαζόμενου φωτός να συμπίπτει με τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός. Ωστόσο, βρέθηκε μεγάλο μήκος κύματος στο διάσπαρτο φως. δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος των σκεδαζόμενων ακτίνων Χ και από το υλικό της ουσίας σκέδασης, αλλά εξαρτάται από την κατεύθυνση της σκέδασης. Έστω η γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης της κύριας δέσμης και της κατεύθυνσης του σκεδαζόμενου φωτός, τότε , όπου (m).

Αυτός ο νόμος ισχύει για ελαφρά άτομα ( , , , ) με ηλεκτρόνια ασθενώς συνδεδεμένα με τον πυρήνα. Η διαδικασία σκέδασης μπορεί να εξηγηθεί από την ελαστική σύγκρουση φωτονίων με ηλεκτρόνια. Κάτω από τη δράση των ακτίνων Χ, τα ηλεκτρόνια διαχωρίζονται εύκολα από το άτομο. Επομένως, μπορεί κανείς να εξετάσει τη σκέδαση από ελεύθερα ηλεκτρόνια. Ένα φωτόνιο με ορμή συγκρούεται με ένα ηλεκτρόνιο σε ηρεμία και του δίνει μέρος της ενέργειας, ενώ αποκτά ορμή (Εικ. 3).

Εικ.3.

Χρησιμοποιώντας τους νόμους διατήρησης της ενέργειας και της ορμής για μια απολύτως ελαστική κρούση, λαμβάνουμε για την έκφραση: , που συμπίπτει με την πειραματική, ενώ , που αποδεικνύει τη σωματιδιακή θεωρία του φωτός.

Φωτεινότητα, φωτοφωταύγεια και οι κύριες κανονικότητες της

Η φωταύγεια είναι μια ακτινοβολία μη ισορροπίας που υπερβαίνει τη θερμική ακτινοβολία σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Η φωταύγεια εμφανίζεται υπό την επίδραση εξωτερικών επιρροών, όχι λόγω θέρμανσης του σώματος. Αυτή είναι μια ψυχρή λάμψη. Ανάλογα με τη μέθοδο διέγερσης, διακρίνονται: φωτοφωταύγεια (υπό τη δράση του φωτός), χημειοφωταύγεια (υπό την επίδραση χημικών αντιδράσεων), καθοδοφωταύγεια (υπό τη δράση ταχέων ηλεκτρονίων) και ηλεκτροφωταύγεια (υπό την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου).

Η φωταύγεια που σταματά αμέσως (γ) μετά την εξαφάνιση των εξωτερικών επιρροών ονομάζεται φθορισμός. Εάν η φωταύγεια εξαφανιστεί εντός s μετά το τέλος της έκθεσης, τότε ονομάζεται φωσφορισμός.

Οι ουσίες που φωτοβολούν ονομάζονται φώσφοροι. Αυτές περιλαμβάνουν ενώσεις ουρανίου, σπάνιες γαίες, καθώς και συζευγμένα συστήματα στα οποία εναλλάσσονται οι δεσμοί, αρωματικές ενώσεις: φλουορεσκεΐνη, βενζόλιο, ναφθαλίνιο, ανθρακένιο.

Η φωτοφωταύγεια υπακούει στο νόμο του Stokes: η συχνότητα του συναρπαστικού φωτός είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα που εκπέμπεται , όπου βρίσκεται το μέρος της απορροφούμενης ενέργειας που μετατρέπεται σε θερμότητα.

Το κύριο χαρακτηριστικό της φωταύγειας είναι η κβαντική απόδοση ίση με την αναλογία του αριθμού των απορροφημένων φωτονίων προς τον αριθμό των εκπεμπόμενων. Υπάρχουν ουσίες των οποίων η κβαντική απόδοση είναι κοντά στο 1 (για παράδειγμα, η φλουορεσκεΐνη). Το ανθρακένιο έχει κβαντική απόδοση 0,27.

Το φαινόμενο της φωταύγειας έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως στην πράξη. Για παράδειγμα, η ανάλυση φωταύγειας είναι μια μέθοδος για τον προσδιορισμό της σύνθεσης μιας ουσίας από τη χαρακτηριστική της λάμψη. Η μέθοδος είναι πολύ ευαίσθητη (περίπου), επιτρέπει την ανίχνευση ασήμαντης ποσότητας ακαθαρσιών και χρησιμοποιείται για την πιο ακριβή έρευνα στον τομέα της χημείας, της βιολογίας, της ιατρικής και της βιομηχανίας τροφίμων.

Η ανίχνευση ελαττωμάτων φθορισμού καθιστά δυνατή την ανίχνευση των λεπτότερων ρωγμών στην επιφάνεια των εξαρτημάτων της μηχανής (η επιφάνεια που θα εξεταστεί καλύπτεται για αυτό με ένα φωταυγές διάλυμα, το οποίο παραμένει στις ρωγμές μετά την αφαίρεση).

Οι φώσφοροι χρησιμοποιούνται σε λαμπτήρες φθορισμού, είναι το ενεργό μέσο των οπτικών κβαντικών γεννητριών και χρησιμοποιούνται σε μετατροπείς ηλεκτρονίων-οπτικών. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή φωτεινών δεικτών διαφόρων συσκευών.

Φυσικές αρχές συσκευών νυχτερινής όρασης

Η βάση της συσκευής είναι ένας σωλήνας ενίσχυσης εικόνας (EOC), ο οποίος μετατρέπει μια εικόνα ενός αντικειμένου που είναι αόρατο στο μάτι στις ακτίνες IR σε ορατή εικόνα (Εικ. 4).

Εικ.4.

1 - φωτοκάθοδος, 2 - ηλεκτρονικός φακός, 3 - φωτεινή οθόνη,

Η υπέρυθρη ακτινοβολία από το αντικείμενο προκαλεί εκπομπή φωτοηλεκτρονίου από την επιφάνεια της φωτοκάθοδος και η ποσότητα εκπομπής από διαφορετικά μέρη της τελευταίας ποικίλλει ανάλογα με την κατανομή της φωτεινότητας της εικόνας που προβάλλεται σε αυτήν. Τα φωτοηλεκτρόνια επιταχύνονται από ένα ηλεκτρικό πεδίο στην περιοχή μεταξύ της φωτοκάθοδος και της οθόνης, εστιάζονται από έναν ηλεκτρονικό φακό και βομβαρδίζουν την οθόνη, προκαλώντας τη φωταύγεια της. Η ένταση της λάμψης μεμονωμένων σημείων της οθόνης εξαρτάται από την πυκνότητα της ροής φωτοηλεκτρονίων, με αποτέλεσμα να εμφανίζεται μια ορατή εικόνα του αντικειμένου στην οθόνη.

Θεωρία

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκτόξευση ηλεκτρονίων από μια ουσία με τη δράση του φωτός. Σε ένα μέταλλο, ένα ηλεκτρόνιο κινείται ελεύθερα, αλλά όταν φεύγει από την επιφάνεια, το ίδιο το μέταλλο φορτίζεται με θετικό φορτίο εξαιτίας αυτού και το εμποδίζει να διαφύγει. Επομένως, για να φύγει το μέταλλο, το ηλεκτρόνιο πρέπει να έχει πρόσθετη ενέργεια, ανάλογα με την ουσία. Αυτή η ενέργεια ονομάζεται συνάρτηση εργασίας.

Για να μελετήσετε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, μπορείτε να συναρμολογήσετε τη ρύθμιση που φαίνεται στο Σχ. 1. Αποτελείται από ένα γυάλινο δοχείο από το οποίο αντλείται ο αέρας. Το παράθυρο από το οποίο πέφτει το φως είναι κατασκευασμένο από γυαλί χαλαζία, το οποίο μεταδίδει ορατές και υπεριώδεις ακτίνες. Δύο ηλεκτρόδια είναι συγκολλημένα μέσα στο μπαλόνι: ένα από τα οποία - η κάθοδος - φωτίζεται μέσα από το παράθυρο. Μεταξύ των ηλεκτροδίων, η πηγή δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που αναγκάζει τα φωτοηλεκτρόνια να μετακινηθούν από την κάθοδο στην άνοδο.

Τα κινούμενα ηλεκτρόνια σχηματίζουν ηλεκτρικό ρεύμα (φωτορεύμα). Όταν αλλάζει η τάση, αλλάζει και το ρεύμα. γράφημα εξάρτησης Εγώαπό U- Χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης - φαίνεται στο σχ. 2. Σε χαμηλές τάσεις, δεν φτάνουν όλα τα ηλεκτρόνια που αποσπώνται από την κάθοδο στην άνοδο· όσο αυξάνεται η τάση, ο αριθμός τους αυξάνεται. Σε μια ορισμένη τάση, όλα τα ηλεκτρόνια που σχίζονται από το φως φτάνουν στην άνοδο και στη συνέχεια ρυθμίζεται το ρεύμα κορεσμού Σε, με περαιτέρω αύξηση της τάσης, το ρεύμα δεν αλλάζει.

Με αύξηση της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, παρατηρείται αύξηση του ρεύματος κορεσμού, η οποία είναι ανάλογη με τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εκτινάσσονται. Ο 1ος νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου δηλώνει ότι ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκτοξεύονται από το φως από την επιφάνεια ενός μετάλλου είναι ανάλογος της απορροφούμενης ενέργειας του φωτεινού κύματος.

Για να μετρήσετε την κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων, πρέπει να αλλάξετε την πολικότητα της πηγής ρεύματος. Στο γράφημα, αυτή η περίπτωση αντιστοιχεί στην ενότητα στο U , στο οποίο το φωτορεύμα πέφτει στο μηδέν. Τώρα το πεδίο δεν επιταχύνεται, αλλά επιβραδύνει τα φωτοηλεκτρόνια. Σε κάποια τάση, που ονομάζεται επιβράδυνση U 3, το φωτορεύμα εξαφανίζεται. Σε αυτή την περίπτωση, όλα τα ηλεκτρόνια θα σταματήσουν από το πεδίο, τότε το πεδίο θα τα επιστρέψει στην προηγούμενη κάθοδο, όπως μια πέτρα που πετάχτηκε προς τα πάνω θα σταματήσει από το βαρυτικό πεδίο της Γης και θα επιστρέψει πίσω στη Γη.

Το έργο των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου A = qU 3, που δαπανάται για την επιβράδυνση του ηλεκτρονίου, ισούται με τη μεταβολή της κινητικής ενέργειας του ηλεκτρονίου, δηλαδή Μ v 2 /2 = qU 3, όπου Μ- μάζα ηλεκτρονίων, v - η ταχύτητά του, q- χρέωση. Δηλαδή με μέτρηση της τάσης επιβράδυνσης U 3, προσδιορίζουμε τη μέγιστη κινητική ενέργεια. Αποδείχθηκε ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός, αλλά μόνο από τη συχνότητα. Αυτή η δήλωση ονομάζεται 2ος νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Σε μια ορισμένη περιοριστική συχνότητα φωτός, η οποία εξαρτάται από μια συγκεκριμένη ουσία, και σε χαμηλότερες συχνότητες, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δεν παρατηρείται. Αυτή η οριακή συχνότητα ονομάζεται «κόκκινο» όριο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Ο Α. Αϊνστάιν εξήγησε τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου το 1905. Χρησιμοποίησε την ιδέα του Πλανκ για την κβαντική φύση του φωτός. Η ενέργεια ενός κβαντικού φωτός E = hν. Αν υποθέσουμε ότι ένα κβάντο φωτός βγάζει ένα ηλεκτρόνιο, τότε η ενέργεια του κβαντικού μιπηγαίνει να κάνει τη δουλειά του ηλεκτρονίου ΑΛΛΑκαι να του δώσει κινητική ενέργεια mv 2/2. Αυτό είναι

hν = A + mv 2 /2.

Αυτή η εξίσωση ονομάζεται εξίσωση Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ας εξηγήσουμε από τη σκοπιά της ιδέας του Αϊνστάιν τον 1ο νόμο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Εάν ένα κβάντο ενέργειας βγάλει ένα ηλεκτρόνιο, τότε όσο περισσότερα κβάντα απορροφά η ουσία (τόσο μεγαλύτερη είναι η ένταση του φωτός), τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια θα πετάξουν έξω από την ουσία.

Εξηγήστε τον δεύτερο νόμο του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Λειτουργία εργασίας ΑΛΛΑεξαρτάται από τον τύπο της ουσίας και δεν εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός. Η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου που τραβιέται έξω από μια ουσία είναι mv 2 /2=h - Αεξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός ν : όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότερη κινητική ενέργεια θα λάβει το ηλεκτρόνιο. Η ένταση του φωτός δεν επηρεάζει την κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου, επειδή η εξίσωση Αϊνστάιν περιγράφει την ενέργεια ενός μόνο ηλεκτρονίου. Δεν έχει σημασία πόσα ηλεκτρόνια πετούν έξω, η ταχύτητα καθενός από αυτά εξαρτάται από τη συχνότητα.

Ο τύπος του Αϊνστάιν εξηγεί επίσης το γεγονός ότι το φως μιας δεδομένης συχνότητας μπορεί να τραβήξει ένα ηλεκτρόνιο από μια ουσία, αλλά όχι από μια άλλη. Για κάθε ουσία, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρείται εάν η ενέργεια ενός κβαντικού φωτός είναι μεγαλύτερη ή, σε ακραίες περιπτώσεις, ίση με τη συνάρτηση εργασίας ( hν ≥ A). Η περιοριστική συχνότητα στην οποία το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ακόμα δυνατό, ν min = A/h. Αυτή είναι η συχνότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια εκτινάσσονται χωρίς να τους προσδίδουν κινητική ενέργεια - η συχνότητα του «κόκκινου περιγράμματος» του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Γράφουμε την εξίσωση του Αϊνστάιν για την περίπτωση που η κινητική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου είναι ίση σε μέγεθος με το έργο των δυνάμεων του ηλεκτρικού πεδίου, δηλαδή σε τάση επιβράδυνσης:

hν = A + qU 3.

Από εδώ U 3 \u003d -A / q + (h / q) ν.

Ας φτιάξουμε ένα γράφημα της εξάρτησης της τάσης επιβράδυνσης από τη συχνότητα (Εικ. 3). Μπορεί να φανεί από τον τύπο ότι η εξάρτηση U 3από ν είναι γραμμικό. Η εφαπτομένη της κλίσης του γραφήματος:

tan α \u003d ΔU 3 / Δν \u003d h / q.

Εξ ου και η σταθερά του Planck:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Αυτός ο τύπος χρησιμοποιείται για τον πειραματικό προσδιορισμό της σταθεράς του Planck.

§ 3 . φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Το εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εξαγωγής ηλεκτρονίων από στερεά και υγρά σώματα υπό την επίδραση του φωτός.

Ανακάλυψε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Χάινριχ Χερτζ(1857 - 1894) σε 1887 έτος. Παρατήρησε ότι το άλμα ενός σπινθήρα μεταξύ των σφαιρών του διακένου σπινθήρα διευκολύνεται πολύ εάν μία από τις μπάλες φωτίζεται με υπεριώδεις ακτίνες.

Μετά μέσα 1888-1890 Δεκαετία του 1990, μελέτησε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896).

Διαπίστωσε ότι:

οι υπεριώδεις ακτίνες έχουν το μεγαλύτερο αποτέλεσμα.

με αύξηση της φωτεινής ροής, το φωτορεύμα αυξάνεται.

το φορτίο των σωματιδίων που εκπέμπονται από στερεά και υγρά σώματα υπό τη δράση του φωτός είναι αρνητικό.

Παράλληλα με τον Stoletov, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μελετήθηκε από Γερμανό επιστήμονα Φίλιπ Λέναρντ (1862 – 1947).

Καθιέρωσαν τους βασικούς νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Πριν διατυπώσετε αυτούς τους νόμους, εξετάστε με Ένα σύγχρονο σχήμα παρατήρησης και μελέτης του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Είναι απλή. Δύο ηλεκτρόδια (κάθοδος και άνοδος) συγκολλούνται στον γυάλινο κύλινδρο, στον οποίο εφαρμόζεται τάση U. Σε περίπτωση απουσίας φωτός, το αμπερόμετρο δείχνει ότι δεν υπάρχει ρεύμα στο κύκλωμα.

Όταν η κάθοδος φωτίζεται με φως, ακόμη και απουσία τάσης μεταξύ καθόδου και ανόδου, το αμπερόμετρο δείχνει την ύπαρξη μικρού ρεύματος στο κύκλωμα - φωτορεύμα. Δηλαδή, τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από την κάθοδο έχουν κάποια κινητική ενέργεια
και φτάνουν στην άνοδο «μόνοι τους».

Καθώς η τάση αυξάνεται, το φωτορεύμα αυξάνεται.

Η εξάρτηση του φωτορεύματος από την τάση μεταξύ της καθόδου και της ανόδου ονομάζεται χαρακτηριστικό ρεύματος-τάσης.

Ο έχει την παρακάτω μορφή. Στην ίδια ένταση μονοχρωματικού φωτός, το ρεύμα αυξάνεται πρώτα με την αύξηση της τάσης, αλλά μετά σταματά η ανάπτυξή του. Ξεκινώντας από μια ορισμένη τιμή της τάσης επιτάχυνσης, το φωτορεύμα σταματά να αλλάζει, φτάνοντας τη μέγιστη τιμή του (σε δεδομένη ένταση φωτός). Αυτό το φωτορεύμα ονομάζεται ρεύμα κορεσμού.

Για να "κλειδώσετε" το φωτοκύτταρο, δηλαδή να μειώσετε το φωτορεύμα στο μηδέν, είναι απαραίτητο να εφαρμόσετε μια "τάση μπλοκαρίσματος"
. Σε αυτή την περίπτωση, το ηλεκτροστατικό πεδίο λειτουργεί και επιβραδύνει τα εκπεμπόμενα φωτοηλεκτρόνια

. (1)

Αυτό σημαίνει ότι κανένα από τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από το μέταλλο δεν φτάνει στην άνοδο εάν το δυναμικό της ανόδου είναι χαμηλότερο από το δυναμικό της καθόδου κατά
.

μι Το πείραμα έδειξε ότι όταν αλλάζει η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός, το σημείο εκκίνησης του γραφήματος μετατοπίζεται κατά μήκος του άξονα τάσης. Από αυτό προκύπτει ότι το μέγεθος της τάσης αποκλεισμού, και, κατά συνέπεια, η κινητική ενέργεια και η μέγιστη ταχύτητα των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων, εξαρτώνται από τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός.

Ο πρώτος νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου . Τιμή μέγιστης ταχύτηταςεξερχόμενα ηλεκτρόνιαεξαρτάται από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας) και δεν εξαρτάται από την έντασή της.

μι Αν συγκρίνουμε τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης που λαμβάνονται σε διαφορετικές εντάσεις (στα Σχήματα I 1 και I 2) του προσπίπτοντος μονοχρωματικού (μονής συχνότητας) φωτός, μπορούμε να δούμε τα ακόλουθα.

Πρώτον, όλα τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης προέρχονται από το ίδιο σημείο, δηλαδή, σε οποιαδήποτε ένταση φωτός, το φωτορεύμα εξαφανίζεται σε μια συγκεκριμένη (για κάθε τιμή συχνότητας) τάση επιβράδυνσης
. Αυτή είναι μια άλλη επιβεβαίωση της πιστότητας του πρώτου νόμου του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Κατα δευτερον. Με την αύξηση της έντασης του προσπίπτοντος φωτός, η φύση της εξάρτησης του ρεύματος από την τάση δεν αλλάζει, μόνο το μέγεθος του ρεύματος κορεσμού αυξάνεται.

Ο δεύτερος νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου . Η τιμή του ρεύματος κορεσμού είναι ανάλογη με την τιμή της φωτεινής ροής.

Κατά τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, διαπιστώθηκε ότι δεν προκαλούν όλες οι ακτινοβολίες φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ο τρίτος νόμος του φωτοηλεκτρικού φαινομένου . Για κάθε ουσία υπάρχει μια ελάχιστη συχνότητα (μέγιστο μήκος κύματος) στην οποία το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ακόμα δυνατό.

Αυτό το μήκος κύματος ονομάζεται "κόκκινο περίγραμμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου" (και η συχνότητα - που αντιστοιχεί στο κόκκινο περίγραμμα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου).

5 χρόνια μετά την εμφάνιση του έργου του Max Planck, ο Albert Einstein χρησιμοποίησε την ιδέα της διακριτικότητας της εκπομπής φωτός για να εξηγήσει τα μοτίβα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι το φως δεν εκπέμπεται μόνο σε παρτίδες, αλλά επίσης διαδίδεται και απορροφάται σε παρτίδες. Αυτό σημαίνει ότι η διακριτικότητα των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι ιδιότητα της ίδιας της ακτινοβολίας και όχι το αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης της ακτινοβολίας με την ύλη. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, ένα κβαντικό ακτινοβολίας μοιάζει με ένα σωματίδιο από πολλές απόψεις. Ένα κβάντο είτε απορροφάται πλήρως είτε δεν απορροφάται καθόλου. Ο Αϊνστάιν φαντάστηκε τη διαφυγή ενός φωτονίου ως αποτέλεσμα της σύγκρουσης ενός φωτονίου με ένα ηλεκτρόνιο σε ένα μέταλλο, κατά την οποία όλη η ενέργεια του φωτονίου μεταφέρεται στο ηλεκτρόνιο. Έτσι ο Αϊνστάιν δημιούργησε την κβαντική θεωρία του φωτός και, βάσει αυτής, έγραψε μια εξίσωση για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο:

.

Εδώ είναι η σταθερά του Planck, - συχνότητα,
είναι η συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου από ένα μέταλλο,
είναι η μάζα ηρεμίας του ηλεκτρονίου, v είναι η ταχύτητα του ηλεκτρονίου.

Αυτή η εξίσωση εξήγησε όλους τους πειραματικά καθιερωμένους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Εφόσον η συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου από μια ουσία είναι σταθερή, τότε, με την αύξηση της συχνότητας, αυξάνεται και η ταχύτητα των ηλεκτρονίων.

Κάθε φωτόνιο εκτοξεύει ένα ηλεκτρόνιο. Επομένως, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκτινάσσονται δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των φωτονίων. Όταν όλα τα εκτοξευόμενα ηλεκτρόνια φτάσουν στην άνοδο, το φωτορεύμα σταματά να αυξάνεται. Καθώς αυξάνεται η ένταση του φωτός, αυξάνεται και ο αριθμός των φωτονίων που προσπίπτουν στην επιφάνεια της ύλης. Κατά συνέπεια, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που αυτά τα φωτόνια εξουδετερώνουν αυξάνεται. Σε αυτή την περίπτωση, το φωτορεύμα κορεσμού αυξάνεται.

Εάν η ενέργεια των φωτονίων είναι αρκετή μόνο για να εκτελέσει τη λειτουργία εργασίας, τότε η ταχύτητα των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων θα είναι ίση με μηδέν. Αυτό είναι το «κόκκινο περίγραμμα» του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Το εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο παρατηρείται σε κρυσταλλικούς ημιαγωγούς και διηλεκτρικά. Συνίσταται στο γεγονός ότι υπό τη δράση της ακτινοβολίας, η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυτών των ουσιών αυξάνεται λόγω της αύξησης του αριθμού των ελεύθερων φορέων ρεύματος (ηλεκτρόνια και οπές) σε αυτές.

Αυτό το φαινόμενο μερικές φορές ονομάζεται φωτοαγωγιμότητα.

Το 1887, ο Heinrich Rudolf Hertz ανακάλυψε ένα φαινόμενο που αργότερα ονομάστηκε φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Το συνόψισε ως εξής:

Εάν το φως από έναν λαμπτήρα υδραργύρου κατευθύνεται προς το μέταλλο νατρίου, τότε τα ηλεκτρόνια θα πετάξουν έξω από την επιφάνειά του.

Η σύγχρονη διατύπωση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι διαφορετική:

Όταν τα κβάντα φωτός πέφτουν σε μια ουσία και όταν στη συνέχεια απορροφηθούν από την ουσία, τα φορτισμένα σωματίδια θα απελευθερωθούν μερικώς ή πλήρως.

Με άλλα λόγια, όταν απορροφώνται φωτόνια, παρατηρούνται τα εξής:

1. Εκπομπή ηλεκτρονίων από την ύλη
2. Αλλαγή στην ηλεκτρική αγωγιμότητα μιας ουσίας
3. Η εμφάνιση φωτο-EMF στη διεπαφή μέσων με διαφορετική αγωγιμότητα (για παράδειγμα, μέταλλο-ημιαγωγό)

Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις τύποι φωτοηλεκτρικών φαινομένων:

1. Εσωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Συνίσταται στην αλλαγή της αγωγιμότητας των ημιαγωγών. Χρησιμοποιείται σε φωτοαντιστάσεις, που χρησιμοποιούνται σε δοσίμετρα ακτίνων Χ και υπεριώδους ακτινοβολίας, και χρησιμοποιείται επίσης σε ιατρικές συσκευές (οξυμέτρο) και σε συναγερμούς πυρκαγιάς.
2. Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο βαλβίδας. Συνίσταται στην εμφάνιση φωτο-EMF στα όρια ουσιών με διαφορετικούς τύπους αγωγιμότητας, ως αποτέλεσμα του διαχωρισμού των φορέων ηλεκτρικού φορτίου από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Χρησιμοποιείται σε ηλιακά πάνελ, φωτοκύτταρα σεληνίου και αισθητήρες φωτός.
3. εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αυτή είναι η διαδικασία των ηλεκτρονίων που διαφεύγουν από την ύλη στο κενό υπό τη δράση κβαντών ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

Νόμοι του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Εγκαταστάθηκαν από τους Philip Lenard και Alexander Grigoryevich Stoletov στις αρχές του 20ου αιώνα. Αυτοί οι επιστήμονες μέτρησαν τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εκτινάσσονταν και την ταχύτητά τους ανάλογα με την ένταση και τη συχνότητα της ακτινοβολίας παροχής.

Πρώτος νόμος (νόμος Stoletov):

Η ισχύς του φωτορεύματος κορεσμού είναι ευθέως ανάλογη με τη φωτεινή ροή, δηλ. προσπίπτουσα ακτινοβολία στην ύλη.

Θεωρητική διατύπωση:Όταν η τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων είναι ίση με μηδέν, το φωτορεύμα δεν είναι ίσο με μηδέν. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι μετά την έξοδο από το μέταλλο, τα ηλεκτρόνια έχουν κινητική ενέργεια. Με την παρουσία τάσης μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, η ισχύς του φωτορεύματος αυξάνεται με την αύξηση της τάσης και σε μια ορισμένη τιμή τάσης, το ρεύμα φτάνει στη μέγιστη τιμή του (φωτορεύμα κορεσμού). Αυτό σημαίνει ότι όλα τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται κάθε δευτερόλεπτο από την κάθοδο υπό την επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συμμετέχουν στη δημιουργία του ρεύματος. Όταν η πολικότητα αντιστρέφεται, το ρεύμα πέφτει και σύντομα γίνεται μηδέν. Εδώ το ηλεκτρόνιο δρα ενάντια στο επιβραδυντικό πεδίο σε βάρος της κινητικής ενέργειας. Με την αύξηση της έντασης της ακτινοβολίας (αύξηση του αριθμού των φωτονίων), ο αριθμός των ενεργειακών κβαντών που απορροφάται από το μέταλλο αυξάνεται, και ως εκ τούτου ο αριθμός των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων. Αυτό σημαίνει ότι όσο μεγαλύτερη είναι η φωτεινή ροή, τόσο μεγαλύτερο είναι το φωτορεύμα κορεσμού.

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

k - συντελεστής αναλογικότητας. Η ευαισθησία εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου. Η ευαισθησία ενός μετάλλου στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας του φωτός (με τη μείωση του μήκους κύματος).

Αυτή η διατύπωση του νόμου είναι τεχνική. Ισχύει για φωτοβολταϊκές συσκευές κενού.

Ο αριθμός των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων είναι ευθέως ανάλογος με την πυκνότητα της προσπίπτουσας ροής στη σταθερή φασματική της σύνθεση.

Δεύτερος νόμος (νόμος του Αϊνστάιν):

Η μέγιστη αρχική κινητική ενέργεια ενός φωτοηλεκτρονίου είναι ανάλογη με τη συχνότητα της προσπίπτουσας ροής ακτινοβολίας και δεν εξαρτάται από την έντασή της.

E kē = => ~ hυ

Ο τρίτος νόμος (ο νόμος των «κόκκινων συνόρων»):

Για κάθε ουσία, υπάρχει μια ελάχιστη συχνότητα ή μέγιστο μήκος κύματος, πέραν των οποίων απουσιάζει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Αυτή η συχνότητα (μήκος κύματος) ονομάζεται «κόκκινο περίγραμμα» του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Έτσι, καθορίζει τις συνθήκες για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο για μια δεδομένη ουσία, ανάλογα με τη συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου από την ουσία και από την ενέργεια των προσπίπτων φωτονίων.

Εάν η ενέργεια ενός φωτονίου είναι μικρότερη από τη συνάρτηση εργασίας ενός ηλεκτρονίου από μια ουσία, τότε δεν υπάρχει φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Εάν η ενέργεια του φωτονίου υπερβαίνει τη συνάρτηση εργασίας, τότε η περίσσεια της μετά την απορρόφηση του φωτονίου πηγαίνει στην αρχική κινητική ενέργεια του φωτοηλεκτρονίου.

Εφαρμόζοντάς το για να εξηγήσει τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.

Η εξίσωση του Αϊνστάιν για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια ειδική περίπτωση του νόμου της διατήρησης και του μετασχηματισμού της ενέργειας. Βάσισε τη θεωρία του στους νόμους της αναδυόμενης ακόμα κβαντικής φυσικής.

Ο Αϊνστάιν διατύπωσε τρεις προτάσεις:

1. Όταν εκτίθενται στην ύλη με ηλεκτρόνια, τα προσπίπτοντα φωτόνια απορροφώνται πλήρως.
2. Ένα φωτόνιο αλληλεπιδρά με ένα μόνο ηλεκτρόνιο.
3. Ένα απορροφούμενο φωτόνιο συμβάλλει στην απελευθέρωση μόνο ενός φωτοηλεκτρονίου με κάποιο E kē.

Η ενέργεια ενός φωτονίου ξοδεύεται στη συνάρτηση εργασίας (Α έξω) του ηλεκτρονίου από την ουσία και στην αρχική κινητική του ενέργεια, η οποία θα είναι μέγιστη εάν το ηλεκτρόνιο φύγει από την επιφάνεια της ουσίας.

E kē \u003d hu - A out

Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των φωτονίων και τόσο περισσότερη (μείον τη συνάρτηση εργασίας) παραμένει για την αρχική κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων.

Όσο πιο έντονη είναι η προσπίπτουσα ακτινοβολία, τόσο περισσότερα φωτόνια εισέρχονται στη φωτεινή ροή και τόσο περισσότερα ηλεκτρόνια θα μπορούν να φύγουν από την ουσία και να συμμετάσχουν στη δημιουργία του φωτορεύματος. Γι' αυτό η ισχύς του φωτορεύματος κορεσμού είναι ανάλογη της φωτεινής ροής (I f us ~ F). Ωστόσο, η αρχική κινητική ενέργεια δεν εξαρτάται από την ένταση, γιατί ένα ηλεκτρόνιο απορροφά την ενέργεια ενός μόνο φωτονίου.