Kesan fotoelektrik ialah fenomena menarik keluar cahaya elektron daripada logam (luaran)

Kesan fotoelektrik ialah pelepasan elektron oleh bahan di bawah tindakan cahaya (atau mana-mana sinaran elektromagnet lain). Dalam bahan pekat (pepejal dan cecair), kesan fotoelektrik luaran dan dalaman dibezakan.

Kesan fotoelektrik luaran (pelepasan fotoelektron) ialah pelepasan elektron oleh bahan di bawah tindakan sinaran elektromagnet. Elektron yang terlepas daripada bahan semasa kesan fotoelektrik luaran dipanggil fotoelektron, dan arus elektrik yang dihasilkan olehnya semasa pergerakan tertib dalam medan elektrik luaran dipanggil arus foto.

Kesan fotoelektrik dalaman ialah pengagihan semula elektron ke atas keadaan tenaga dalam semikonduktor dan dielektrik pepejal dan cecair, yang berlaku di bawah pengaruh sinaran. Ia menunjukkan dirinya dalam perubahan dalam kepekatan pembawa cas dalam medium dan membawa kepada kemunculan fotokonduktiviti atau kesan fotoelektrik injap.

Fotokonduktiviti ialah peningkatan dalam kekonduksian elektrik bahan di bawah pengaruh sinaran.

Kesan fotoelektrik injap adalah sejenis kesan fotoelektrik dalaman - ini adalah kejadian EMF (foto EMF) apabila menerangi sentuhan dua semikonduktor yang berbeza atau semikonduktor dan logam (tanpa ketiadaan medan elektrik luaran). Kesan fotoelektrik injap membuka jalan untuk penukaran langsung tenaga suria kepada tenaga elektrik.

Kesan fotoelektrik multifoton adalah mungkin jika keamatan cahaya sangat tinggi (contohnya, apabila menggunakan pancaran laser). Dalam kes ini, elektron yang dipancarkan oleh logam secara serentak boleh menerima tenaga bukan dari satu, tetapi dari beberapa foton.

undang-undang Stoletov

Undang-undang pertama
Menyiasat pergantungan kekuatan semasa dalam belon pada voltan antara elektrod dengan fluks cahaya yang berterusan kepada salah satu daripada mereka, dia menubuhkan undang-undang pertama kesan fotoelektrik.

Arus foto tepu adalah berkadar dengan kejadian fluks cahaya pada logam.

Kerana kekuatan semasa ditentukan oleh magnitud cas, dan fluks bercahaya ditentukan oleh tenaga pancaran cahaya, maka kita boleh mengatakan:

bilangan elektron yang tersingkir daripada bahan dalam 1 s adalah berkadar dengan keamatan cahaya yang jatuh pada bahan ini.

Undang-undang kedua

Mengubah keadaan pencahayaan pada pemasangan yang sama, A. G. Stoletov menemui undang-undang kedua bagi kesan fotoelektrik: tenaga kinetik fotoelektron tidak bergantung pada keamatan cahaya kejadian, tetapi bergantung pada frekuensinya.

Ia mengikuti daripada eksperimen bahawa jika kekerapan cahaya meningkat, maka dengan fluks cahaya yang berterusan, voltan penyekat meningkat, dan, akibatnya, tenaga kinetik fotoelektron juga meningkat. Oleh itu, tenaga kinetik fotoelektron meningkat secara linear dengan kekerapan cahaya.

undang-undang ketiga

Menggantikan bahan fotokatod dalam peranti, Stoletov menetapkan undang-undang ketiga kesan fotoelektrik: untuk setiap bahan terdapat sempadan merah kesan fotoelektrik, i.e. terdapat nmin kekerapan minimum di mana kesan fotoelektrik masih mungkin.

Undang-undang pemuliharaan tenaga, yang ditulis oleh Einstein untuk kesan fotoelektrik, ialah pernyataan bahawa tenaga foton yang diperoleh oleh elektron membolehkannya meninggalkan permukaan konduktor, setelah melakukan fungsi kerja. Selebihnya tenaga direalisasikan dalam bentuk tenaga kinetik elektron bebas sekarang

Tenaga foton kejadian dibelanjakan pada elektron yang melakukan fungsi kerja A daripada logam dan pada menyampaikan tenaga kinetik mv2max/2 kepada fotoelektron yang dipancarkan. Mengikut undang-undang pemuliharaan tenaga,

(203.1)

Persamaan (203.1) dipanggil persamaan Einstein untuk kesan fotoelektrik luaran.

Kesan Compton

Perubahan dalam panjang gelombang cahaya apabila diserakan oleh elektron terikat

EKSPERIMEN RUTERFORD.MODEL PLANET ATOM

Eksperimen Rutherford. Jisim elektron adalah beberapa ribu kali lebih kecil daripada jisim atom. Oleh kerana atom secara keseluruhan adalah neutral, oleh itu, sebahagian besar atom jatuh pada bahagiannya yang bercas positif.

Pada tahun 1906, Ernest Rutherford mencadangkan untuk menggunakan probing atom dengan bantuan -zarah untuk mengkaji secara eksperimen taburan cas positif, dan dengan itu jisim di dalam atom. Zarah-zarah ini timbul daripada pereputan radium dan beberapa unsur lain. Jisim mereka adalah kira-kira 8000 kali jisim elektron, dan cas positif adalah sama dalam modulus dengan dua kali cas elektron. Ini tidak lain hanyalah atom helium terion sepenuhnya. Kelajuan zarah adalah sangat tinggi: ia adalah 1/15 daripada kelajuan cahaya.

Dengan zarah ini, Rutherford membombardir atom unsur berat. Elektron, kerana jisimnya yang kecil, tidak dapat mengubah trajektori zarah dengan ketara, sama seperti kerikil beberapa puluh gram dalam perlanggaran dengan kereta tidak dapat mengubah kelajuannya dengan ketara.

Model planet atom. Berdasarkan eksperimennya, Rutherford mencipta model planet atom. Di tengah-tengah atom terletak nukleus bercas positif, di mana hampir semua jisim atom tertumpu. Secara umum, atom adalah neutral. Oleh itu, bilangan elektron intraatomik, serta cas nukleus, adalah sama dengan nombor ordinal unsur dalam sistem berkala. Jelas bahawa elektron tidak boleh berehat di dalam atom, kerana ia akan jatuh pada nukleus. Mereka bergerak mengelilingi teras, sama seperti planet-planet beredar mengelilingi matahari. Watak pergerakan elektron ini ditentukan oleh tindakan daya tarikan Coulomb dari sisi nukleus.

Undang-undang kesan fotoelektrik luaran

Bersama dengan sinaran haba, fenomena yang tidak sesuai dengan kerangka fizik klasik, adalah kesan fotoelektrik.

Kesan fotoelektrik luaran ialah fenomena pelepasan elektron oleh bahan apabila disinari dengan gelombang elektromagnet.

Kesan fotoelektrik ditemui oleh Hertz pada tahun 1887. Dia perasan bahawa percikan antara bebola zink dipermudahkan jika celah antara percikan api disinari dengan cahaya. Secara eksperimen, undang-undang kesan fotoelektrik luaran telah dikaji oleh Stoletov pada tahun 1888. Skim untuk mengkaji kesan fotoelektrik ditunjukkan dalam Rajah 1.

Rajah 1.

Katod dan anod terletak di dalam tiub vakum, kerana pencemaran permukaan logam yang boleh diabaikan menjejaskan pelepasan elektron. Katod diterangi dengan cahaya monokromatik melalui tingkap kuarza (kuarza, tidak seperti kaca biasa, menghantar cahaya ultraviolet). Voltan antara anod dan katod diselaraskan dengan potensiometer dan diukur dengan voltmeter. Dua bateri boleh dicas semula dan, bersambung antara satu sama lain, membenarkan penggunaan potensiometer untuk menukar nilai dan tanda voltan. Kekuatan arus foto diukur dengan galvanometer.

Dalam Rajah.2. lengkung pergantungan kekuatan arus foto pada voltan ditunjukkan, sepadan dengan pencahayaan berbeza katod dan (). Kekerapan cahaya adalah sama dalam kedua-dua kes.

di mana dan ialah cas dan jisim elektron.

Apabila voltan meningkat, arus foto meningkat apabila semakin banyak fotoelektron mencapai anod. Nilai maksimum arus foto dipanggil arus foto tepu. Ia sepadan dengan nilai voltan sedemikian di mana semua elektron yang dikeluarkan dari katod mencapai anod: , di manakah bilangan fotoelektron yang dipancarkan dari katod dalam 1 saat.

Stoletov secara empirikal menubuhkan undang-undang kesan fotoelektrik berikut:

Kesukaran yang serius timbul dalam menjelaskan undang-undang kedua dan ketiga. Menurut teori elektromagnet, penarikan elektron bebas daripada logam haruslah hasil daripada "goyang" mereka dalam medan elektrik gelombang. Maka tidak jelas mengapa kelajuan maksimum elektron yang dipancarkan bergantung pada frekuensi cahaya, dan bukan pada amplitud ayunan vektor kekuatan medan elektrik dan keamatan gelombang yang berkaitan dengannya. Kesukaran dalam mentafsir undang-undang kedua dan ketiga bagi kesan fotoelektrik menimbulkan keraguan tentang kebolehgunaan universal teori gelombang cahaya.

Persamaan Einstein untuk kesan fotoelektrik

Pada tahun 1905, Einstein menerangkan undang-undang kesan fotoelektrik menggunakan teori kuantum yang dicadangkannya. Cahaya dengan frekuensi bukan sahaja dipancarkan, seperti yang diandaikan oleh Planck, tetapi juga diserap oleh jirim dalam bahagian tertentu (quanta). Cahaya ialah aliran kuanta cahaya diskret (foton) yang bergerak pada kelajuan cahaya. Tenaga kuantum ialah . Setiap kuantum diserap oleh hanya satu elektron. Oleh itu, bilangan elektron yang dikeluarkan mestilah berkadar dengan keamatan cahaya (1 undang-undang kesan fotoelektrik).

Tenaga foton kejadian dibelanjakan untuk kerja elektron keluar dari logam dan pada komunikasi tenaga kinetik kepada fotoelektron yang dipancarkan:

(2)

Persamaan (2) dipanggil persamaan Einstein untuk kesan fotoelektrik luaran. Persamaan Einstein memungkinkan untuk menerangkan hukum kedua dan ketiga bagi kesan fotoelektrik. Persamaan (2) secara langsung membayangkan bahawa tenaga kinetik maksimum meningkat dengan peningkatan kekerapan cahaya kejadian. Dengan kekerapan menurun, tenaga kinetik berkurangan dan pada frekuensi tertentu ia menjadi sama dengan sifar dan kesan fotoelektrik berhenti (). Dari sini

di manakah bilangan foton yang diserap.

Dalam kes ini, sempadan merah kesan fotoelektrik beralih ke frekuensi yang lebih rendah:

.

(5)

Sebagai tambahan kepada kesan fotoelektrik luaran, kesan fotoelektrik dalaman juga diketahui. Apabila semikonduktor dan dielektrik pepejal dan cecair disinari, elektron berpindah dari keadaan terikat ke keadaan bebas, tetapi tidak terbang keluar. Kehadiran elektron bebas membawa kepada kemunculan fotokonduktiviti. Fotokonduktiviti ialah peningkatan kekonduksian elektrik sesuatu bahan apabila terdedah kepada cahaya.

Foton dan sifatnya

Fenomena gangguan, pembelauan, polarisasi hanya boleh dijelaskan oleh sifat gelombang cahaya. Walau bagaimanapun, kesan fotoelektrik dan sinaran terma hanyalah korpuskular (dengan mengandaikan cahaya adalah aliran foton). Perihalan gelombang dan kuantum bagi sifat cahaya saling melengkapi antara satu sama lain. Cahaya adalah gelombang dan zarah. Persamaan asas yang mewujudkan hubungan antara sifat gelombang dan zarah adalah seperti berikut:

(7)

Dan - kuantiti yang mencirikan zarah, dan - gelombang.

Mari kita cari jisim foton daripada hubungan (6): .

Foton ialah zarah yang sentiasa bergerak pada kelajuan cahaya dan mempunyai jisim rehat sifar. Momentum foton ialah: .

Kesan Compton

Sifat korpuskular yang paling lengkap ditunjukkan dalam kesan Compton. Pada tahun 1923, ahli fizik Amerika Compton menyiasat penyebaran sinar-x oleh parafin, yang atomnya ringan.

Penyerakan sinar-x dari sudut pandangan gelombang adalah disebabkan oleh ayunan paksa elektron bahan, sehingga frekuensi cahaya yang tersebar mesti bertepatan dengan frekuensi cahaya kejadian. Walau bagaimanapun, panjang gelombang yang besar ditemui dalam cahaya yang bertaburan. tidak bergantung pada panjang gelombang sinar-X yang tersebar dan pada bahan bahan yang berserakan, tetapi bergantung pada arah penyebaran. Biarkan sudut antara arah pancaran primer dan arah cahaya yang tersebar, kemudian , di mana (m).

Hukum ini benar untuk atom ringan ( , , , ) dengan elektron terikat lemah pada nukleus. Proses penyerakan boleh dijelaskan oleh perlanggaran anjal foton dengan elektron. Di bawah tindakan sinar-X, elektron mudah dipisahkan daripada atom. Oleh itu, seseorang boleh mempertimbangkan penyebaran oleh elektron bebas. Foton dengan momentum berlanggar dengan elektron dalam keadaan diam dan memberikannya sebahagian daripada tenaga, semasa ia memperoleh momentum (Rajah 3).

Rajah.3.

Menggunakan undang-undang pemuliharaan tenaga dan momentum untuk kesan keanjalan mutlak, kita memperoleh untuk ungkapan: , yang bertepatan dengan eksperimen, manakala , yang membuktikan teori korpuskular cahaya.

Luminescence, photoluminescence dan keteraturan utamanya

Luminescence ialah sinaran bukan keseimbangan yang lebihan pada suhu tertentu berbanding sinaran terma. Luminescence berlaku di bawah pengaruh pengaruh luar, bukan disebabkan oleh pemanasan badan. Ini adalah cahaya sejuk. Bergantung kepada kaedah pengujaan, terdapat: photoluminescence (di bawah tindakan cahaya), chemiluminescence (di bawah pengaruh tindak balas kimia), cathodoluminescence (di bawah tindakan elektron cepat) dan electroluminescence (di bawah pengaruh medan elektrik).

Luminescence yang berhenti serta-merta (c) selepas hilangnya pengaruh luar dipanggil pendarfluor. Jika luminescence hilang dalam s selepas tamat pendedahan, maka ia dipanggil phosphorescence.

Bahan yang bercahaya dipanggil fosfor. Ini termasuk sebatian uranium, nadir bumi, serta sistem terkonjugasi di mana ikatan berselang seli, sebatian aromatik: fluorescein, benzena, naftalena, antrasena.

Photoluminescence mematuhi undang-undang Stokes: frekuensi cahaya yang mengujakan lebih besar daripada frekuensi yang dipancarkan , di manakah bahagian tenaga yang diserap yang bertukar menjadi haba.

Ciri utama luminescence ialah hasil kuantum yang sama dengan nisbah bilangan foton yang diserap kepada bilangan yang dipancarkan. Terdapat bahan yang hasil kuantumnya hampir kepada 1 (contohnya, fluorescein). Antrasena mempunyai hasil kuantum 0.27.

Fenomena luminescence telah digunakan secara meluas dalam amalan. Sebagai contoh, analisis luminescent ialah kaedah untuk menentukan komposisi bahan dengan cahaya cirinya. Kaedah ini sangat sensitif (kira-kira ), membolehkan mengesan jumlah kekotoran yang tidak ketara dan digunakan untuk penyelidikan paling tepat dalam bidang kimia, biologi, perubatan dan industri makanan.

Pengesanan kecacatan pendarfluor memungkinkan untuk mengesan retakan terbaik pada permukaan bahagian mesin (permukaan yang akan diperiksa ditutup untuk ini dengan larutan pendarfluor, yang kekal dalam retakan selepas dialih keluar).

Fosfor digunakan dalam lampu pendarfluor, adalah medium aktif penjana kuantum optik, dan digunakan dalam penukar elektron-optik. Digunakan untuk pembuatan penunjuk bercahaya pelbagai peranti.

Prinsip fizikal peranti penglihatan malam

Asas peranti ialah tiub penguat imej (EOC), yang menukar imej objek yang tidak dapat dilihat oleh mata dalam sinar IR kepada imej yang boleh dilihat (Rajah 4).

Rajah.4.

1 - katod foto, 2 - kanta elektronik, 3 - skrin bercahaya,

Sinaran inframerah daripada objek menyebabkan pancaran fotoelektron dari permukaan fotokatod, dan jumlah pancaran dari bahagian yang berlainan di bahagian belakang berbeza mengikut taburan kecerahan imej yang ditayangkan ke atasnya. Fotoelektron dipercepatkan oleh medan elektrik di kawasan antara fotokatod dan skrin, difokuskan oleh kanta elektron dan mengebom skrin, menyebabkan pendaranannya. Keamatan cahaya mata individu skrin bergantung pada ketumpatan fluks fotoelektron, akibatnya imej objek yang boleh dilihat muncul pada skrin.

Teori

Kesan fotoelektrik ialah pelepasan elektron daripada bahan oleh tindakan cahaya. Dalam logam, elektron bergerak bebas, tetapi apabila ia meninggalkan permukaan, logam itu sendiri dicas dengan cas positif kerana ini dan menghalangnya daripada terlepas. Oleh itu, untuk meninggalkan logam, elektron mesti mempunyai tenaga tambahan, bergantung kepada bahan. Tenaga ini dipanggil fungsi kerja.

Untuk mengkaji kesan fotoelektrik, anda boleh memasang persediaan yang ditunjukkan dalam Rajah. 1. Ia terdiri daripada bekas kaca dari mana udara dipam keluar. Tingkap di mana cahaya jatuh diperbuat daripada kaca kuarza, yang memancarkan sinaran yang boleh dilihat dan ultraviolet. Dua elektrod dipateri di dalam belon: salah satunya - katod - diterangi melalui tingkap. Di antara elektrod, sumber mencipta medan elektrik yang menyebabkan fotoelektron bergerak dari katod ke anod.

elektron yang bergerak membentuk arus elektrik (photocurrent). Apabila voltan berubah, arus berubah. graf pergantungan saya daripada U- ciri voltan semasa - ditunjukkan dalam rajah. 2. Pada voltan rendah, tidak semua elektron yang tercabut daripada katod mencapai anod; apabila voltan meningkat, bilangannya bertambah. Pada voltan tertentu, semua elektron yang tercabut oleh cahaya mencapai anod, kemudian arus tepu ditetapkan saya n, dengan peningkatan selanjutnya dalam voltan, arus tidak berubah.

Dengan peningkatan dalam keamatan sinaran kejadian, peningkatan dalam arus tepu diperhatikan, yang berkadar dengan bilangan elektron yang dikeluarkan. Undang-undang pertama kesan fotoelektrik menyatakan bahawa bilangan elektron yang dikeluarkan oleh cahaya dari permukaan logam adalah berkadar dengan tenaga yang diserap oleh gelombang cahaya.

Untuk mengukur tenaga kinetik elektron, anda perlu menukar kekutuban sumber semasa. Pada graf, kes ini sepadan dengan bahagian di U , di mana arus foto jatuh kepada sifar. Sekarang medan tidak memecut, tetapi memperlahankan fotoelektron. Pada voltan tertentu, dipanggil melambatkan U 3, arus foto hilang. Dalam kes ini, semua elektron akan dihentikan oleh medan, kemudian medan akan mengembalikannya ke bekas katod, sama seperti batu yang dilemparkan ke atas akan dihentikan oleh medan graviti Bumi dan dikembalikan semula ke Bumi.

Kerja kuasa medan elektrik A = qU 3, dibelanjakan untuk nyahpecutan elektron, adalah sama dengan perubahan tenaga kinetik elektron, iaitu m v 2/2 = qU 3, di mana m- jisim elektron, v - kelajuannya, q- caj. Iaitu, dengan mengukur voltan terencat U 3, kita menentukan tenaga kinetik maksimum. Ternyata tenaga kinetik maksimum elektron tidak bergantung pada keamatan cahaya, tetapi hanya pada frekuensi. Pernyataan ini dipanggil undang-undang ke-2 bagi kesan fotoelektrik.

Pada frekuensi cahaya yang mengehadkan tertentu, yang bergantung pada bahan tertentu, dan pada frekuensi yang lebih rendah, kesan fotoelektrik tidak diperhatikan. Kekerapan sempadan ini dipanggil sempadan "merah" kesan fotoelektrik.

A. Einstein menerangkan undang-undang kesan fotoelektrik pada tahun 1905. Dia menggunakan idea Planck tentang sifat kuantum cahaya. Tenaga satu kuantum cahaya E = hν. Jika kita mengandaikan bahawa satu kuantum cahaya mengeluarkan satu elektron, maka tenaga kuantum itu E pergi untuk melakukan kerja elektron TAPI dan memberinya tenaga kinetik mv 2/2. Itu dia

hν = A + mv 2 /2.

Persamaan ini dipanggil persamaan Einstein untuk kesan fotoelektrik.

Mari kita jelaskan dari sudut pandangan idea Einstein undang-undang pertama kesan fotoelektrik. Jika satu kuantum tenaga menarik keluar satu elektron, maka semakin banyak kuantum yang diserap oleh bahan (semakin besar keamatan cahaya), semakin banyak elektron akan terbang keluar dari bahan tersebut.

Terangkan hukum kedua bagi kesan fotoelektrik. Fungsi kerja TAPI bergantung kepada jenis bahan dan tidak bergantung kepada frekuensi cahaya. Tenaga kinetik elektron yang ditarik keluar daripada bahan ialah mv 2 /2=h - A bergantung pada frekuensi cahaya ν : semakin tinggi frekuensi, semakin banyak tenaga kinetik yang akan diterima oleh elektron. Keamatan cahaya tidak menjejaskan tenaga kinetik elektron, kerana persamaan Einstein menerangkan tenaga elektron tunggal. Tidak kira berapa banyak elektron yang terbang keluar, kelajuan setiap satu daripadanya bergantung pada frekuensi.

Formula Einstein juga menerangkan hakikat bahawa cahaya dengan frekuensi tertentu boleh mengeluarkan elektron daripada satu bahan, tetapi bukan dari bahan lain. Bagi setiap bahan, kesan fotoelektrik diperhatikan jika tenaga kuantum cahaya lebih besar daripada atau, dalam kes yang melampau, sama dengan fungsi kerja ( hν ≥ A). Kekerapan mengehadkan di mana kesan fotoelektrik masih mungkin, ν min = A/j. Ini adalah kekerapan di mana elektron dikeluarkan tanpa memberikan tenaga kinetik kepada mereka - kekerapan "sempadan merah" kesan fotoelektrik.

Kami menulis persamaan Einstein untuk kes apabila tenaga kinetik elektron adalah sama dalam magnitud dengan kerja daya medan elektrik, iaitu, pada voltan yang melambatkan:

hν = A + qU 3.

Dari sini U 3 \u003d -A / q + (h / q) ν.

Mari kita bina graf pergantungan voltan terencat pada frekuensi (Rajah 3). Ia boleh dilihat daripada formula bahawa pergantungan U 3 daripada ν adalah linear. Tangen bagi cerun graf:

tan α \u003d ΔU 3 / Δν \u003d h / q.

Oleh itu pemalar Planck:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν.

Formula ini digunakan untuk menentukan secara eksperimen pemalar Planck.

§ 3 . kesan fotoelektrik

Kesan fotoelektrik luaran ialah fenomena menarik keluar elektron daripada badan pepejal dan cecair di bawah tindakan cahaya.

Menemui kesan fotoelektrik Heinrich Hertz(1857 - 1894) dalam 1887 tahun. Dia perasan bahawa lompatan percikan antara bola celah percikan sangat dipermudahkan jika salah satu daripada bola itu diterangi dengan sinaran ultraungu.

Kemudian masuk 1888-1890 1990-an, dia mengkaji kesan fotoelektrik Alexander Grigorievich Stoletov (1839 – 1896).

Beliau menetapkan bahawa:

sinaran ultraviolet mempunyai kesan yang paling besar;

dengan peningkatan dalam fluks bercahaya, photocurrent meningkat;

cas zarah yang dipancarkan daripada jasad pepejal dan cecair di bawah tindakan cahaya adalah negatif.

Selari dengan Stoletov, kesan fotoelektrik dikaji oleh saintis Jerman Philip Lenard (1862 – 1947).

Mereka menubuhkan undang-undang asas kesan fotoelektrik.

Sebelum merumuskan undang-undang ini, pertimbangkan dengan Skim moden untuk memerhati dan mengkaji kesan fotoelektrik. Dia sederhana. Dua elektrod (katod dan anod) dipateri ke dalam silinder kaca, yang mana voltan U digunakan. Sekiranya tiada cahaya, ammeter menunjukkan bahawa tiada arus dalam litar.

Apabila katod diterangi dengan cahaya, walaupun dalam ketiadaan voltan antara katod dan anod, ammeter menunjukkan kehadiran arus kecil dalam litar - arus foto. Iaitu, elektron yang dipancarkan daripada katod mempunyai sedikit tenaga kinetik
dan mencapai anod "sendiri".

Apabila voltan meningkat, arus foto meningkat.

Kebergantungan arus foto pada voltan antara katod dan anod dipanggil ciri voltan semasa.

O mempunyai bentuk berikut. Pada keamatan cahaya monokromatik yang sama, arus mula-mula meningkat dengan peningkatan voltan, tetapi kemudian pertumbuhannya berhenti.Bermula dari nilai tertentu voltan pecutan, arus foto berhenti berubah, mencapai nilai maksimum (pada keamatan cahaya tertentu). Arus foto ini dipanggil arus tepu.

Untuk "mengunci" fotosel, iaitu, mengurangkan arus foto kepada sifar, perlu menggunakan "voltan menyekat"
. Dalam kes ini, medan elektrostatik berfungsi dan memperlahankan fotoelektron yang dipancarkan

. (1)

Ini bermakna tiada elektron yang dipancarkan daripada logam mencapai anod jika potensi anod lebih rendah daripada potensi katod oleh
.

E Eksperimen menunjukkan bahawa apabila kekerapan cahaya kejadian berubah, titik permulaan graf beralih di sepanjang paksi tegasan. Ia berikutan daripada ini bahawa magnitud voltan menyekat, dan, akibatnya, tenaga kinetik dan halaju maksimum elektron yang dipancarkan, bergantung pada kekerapan cahaya kejadian.

Undang-undang pertama kesan fotoelektrik . Nilai kelajuan maksimumelektron yang keluarbergantung kepada kekerapan sinaran kejadian (meningkat dengan peningkatan kekerapan) dan tidak bergantung pada keamatannya.

E Jika kita membandingkan ciri-ciri voltan semasa yang diperolehi pada keamatan yang berbeza (dalam Rajah I 1 dan I 2) cahaya monokromatik (frekuensi tunggal) kejadian, kita boleh melihat perkara berikut.

Pertama, semua ciri voltan arus berasal pada titik yang sama, iaitu, pada sebarang keamatan cahaya, arus foto lenyap pada voltan melambatkan tertentu (untuk setiap nilai frekuensi).
. Ini adalah satu lagi pengesahan tentang kesetiaan undang-undang pertama kesan fotoelektrik.

Kedua. Dengan peningkatan dalam keamatan cahaya kejadian, sifat pergantungan arus pada voltan tidak berubah, hanya magnitud arus tepu meningkat.

Undang-undang kedua kesan fotoelektrik . Nilai arus tepu adalah berkadar dengan nilai fluks bercahaya.

Apabila mengkaji kesan fotoelektrik, didapati tidak semua sinaran menyebabkan kesan fotoelektrik.

Undang-undang ketiga kesan fotoelektrik . Bagi setiap bahan terdapat frekuensi minimum (panjang gelombang maksimum) di mana kesan fotoelektrik masih mungkin.

Panjang gelombang ini dipanggil "sempadan merah kesan fotoelektrik" (dan kekerapan - sepadan dengan sempadan merah kesan fotoelektrik).

5 tahun selepas kemunculan karya Max Planck, Albert Einstein menggunakan idea kebijaksanaan pelepasan cahaya untuk menerangkan corak kesan fotoelektrik. Einstein mencadangkan bahawa cahaya bukan sahaja dipancarkan dalam kelompok, tetapi juga disebarkan dan diserap dalam kelompok. Ini bermakna bahawa diskret gelombang elektromagnet adalah sifat sinaran itu sendiri, dan bukan hasil interaksi sinaran dengan jirim. Menurut Einstein, kuantum sinaran menyerupai zarah dalam banyak cara. Kuantum sama ada diserap sepenuhnya atau tidak diserap sama sekali. Einstein membayangkan pelepasan fotoelektron sebagai hasil perlanggaran foton dengan elektron dalam logam, di mana semua tenaga foton dipindahkan ke elektron. Jadi Einstein mencipta teori kuantum cahaya dan, berdasarkannya, menulis persamaan untuk kesan fotoelektrik:

.

Berikut ialah pemalar Planck, - kekerapan,
ialah fungsi kerja elektron daripada logam,
ialah jisim baki elektron, v ialah kelajuan elektron.

Persamaan ini menerangkan semua undang-undang kesan fotoelektrik yang telah ditetapkan secara eksperimen.

Oleh kerana fungsi kerja elektron daripada bahan adalah malar, maka, dengan peningkatan frekuensi, kelajuan elektron juga meningkat.

Setiap foton mengetuk satu elektron. Oleh itu, bilangan elektron yang dikeluarkan tidak boleh lebih besar daripada bilangan foton. Apabila semua elektron yang dikeluarkan mencapai anod, arus foto berhenti berkembang. Apabila keamatan cahaya bertambah, begitu juga bilangan foton yang berlaku pada permukaan jirim. Akibatnya, bilangan elektron yang dikeluarkan oleh foton ini meningkat. Dalam kes ini, arus foto tepu meningkat.

Jika tenaga foton hanya cukup untuk melaksanakan fungsi kerja, maka kelajuan elektron yang dipancarkan akan sama dengan sifar. Ini adalah "sempadan merah" kesan fotoelektrik.

Kesan fotoelektrik dalaman diperhatikan dalam semikonduktor dan dielektrik kristal. Ia terdiri daripada fakta bahawa di bawah tindakan penyinaran, kekonduksian elektrik bahan-bahan ini meningkat disebabkan oleh peningkatan bilangan pembawa arus bebas (elektron dan lubang) di dalamnya.

Fenomena ini kadang-kadang dipanggil fotokonduktiviti.

Pada tahun 1887, Heinrich Rudolf Hertz menemui fenomena yang kemudiannya dipanggil kesan fotoelektrik. Beliau merumuskannya sebagai berikut:

Jika cahaya dari lampu merkuri diarahkan kepada logam natrium, maka elektron akan terbang keluar dari permukaannya.

Formulasi moden kesan fotoelektrik adalah berbeza:

Apabila kuanta cahaya jatuh pada bahan dan apabila ia kemudiannya diserap dalam bahan, zarah bercas akan terbebas sebahagian atau sepenuhnya.

Dengan kata lain, apabila foton cahaya diserap, perkara berikut diperhatikan:

1. Pembebasan elektron daripada jirim
2. Perubahan dalam kekonduksian elektrik sesuatu bahan
3. Kejadian foto-EMF pada antara muka media dengan kekonduksian yang berbeza (contohnya, semikonduktor logam)

Pada masa ini, terdapat tiga jenis kesan fotoelektrik:

1. Kesan fotoelektrik dalaman. Ia terdiri daripada mengubah kekonduksian semikonduktor. Ia digunakan dalam photoresistors, yang digunakan dalam dosimeter sinar-X dan ultraviolet, dan juga digunakan dalam peranti perubatan (oksimeter) dan dalam penggera kebakaran.
2. Kesan fotoelektrik injap. Ia terdiri daripada berlakunya foto-EMF di sempadan bahan dengan jenis kekonduksian yang berbeza, akibat pemisahan pembawa cas elektrik oleh medan elektrik. Ia digunakan dalam panel solar, fotosel selenium dan penderia cahaya.
3. kesan fotoelektrik luaran. Seperti yang dinyatakan sebelum ini, ini adalah proses elektron melarikan diri daripada jirim ke dalam vakum di bawah tindakan kuanta sinaran elektromagnet.

Undang-undang kesan fotoelektrik luaran.

Mereka dipasang oleh Philip Lenard dan Alexander Grigoryevich Stoletov pada permulaan abad ke-20. Para saintis ini mengukur bilangan elektron yang dikeluarkan dan kelajuannya bergantung kepada keamatan dan kekerapan sinaran bekalan.

Undang-undang pertama (undang-undang Stoletov):

Kekuatan arus foto tepu adalah berkadar terus dengan fluks bercahaya, i.e. sinaran kejadian pada jirim.

Rumusan teori: Apabila voltan antara elektrod adalah sama dengan sifar, arus foto tidak sama dengan sifar. Ini disebabkan oleh fakta bahawa selepas meninggalkan logam, elektron mempunyai tenaga kinetik. Dengan adanya voltan antara anod dan katod, kekuatan arus foto meningkat dengan peningkatan voltan, dan pada nilai voltan tertentu, arus mencapai nilai maksimumnya (arus foto tepu). Ini bermakna semua elektron yang dipancarkan setiap saat oleh katod di bawah pengaruh sinaran elektromagnet mengambil bahagian dalam penciptaan arus. Apabila kekutuban diterbalikkan, arus menurun dan tidak lama lagi menjadi sifar. Di sini elektron berfungsi melawan medan terencat dengan mengorbankan tenaga kinetik. Dengan peningkatan dalam keamatan sinaran (peningkatan dalam bilangan foton), bilangan kuanta tenaga yang diserap oleh logam meningkat, dan oleh itu bilangan elektron yang dipancarkan. Ini bermakna semakin besar fluks bercahaya, semakin besar arus foto tepu.

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

k - pekali perkadaran. Kepekaan bergantung pada sifat logam. Kepekaan logam kepada kesan fotoelektrik meningkat dengan peningkatan frekuensi cahaya (dengan pengurangan panjang gelombang).

Perkataan undang-undang ini adalah teknikal. Ia sah untuk peranti fotovoltaik vakum.

Bilangan elektron yang dipancarkan adalah berkadar terus dengan ketumpatan fluks kejadian pada komposisi spektrum malarnya.

Undang-undang kedua (undang-undang Einstein):

Tenaga kinetik awal maksimum fotoelektron adalah berkadar dengan kekerapan fluks sinaran kejadian dan tidak bergantung pada keamatannya.

E kē = => ~ hυ

Undang-undang ketiga (undang-undang "sempadan merah"):

Bagi setiap bahan, terdapat frekuensi minimum atau panjang gelombang maksimum, di mana kesan fotoelektrik tidak hadir.

Kekerapan (panjang gelombang) ini dipanggil "sempadan merah" kesan fotoelektrik.

Oleh itu, dia menetapkan syarat untuk kesan fotoelektrik untuk bahan tertentu, bergantung pada fungsi kerja elektron daripada bahan dan pada tenaga foton kejadian.

Jika tenaga foton kurang daripada fungsi kerja elektron daripada bahan, maka tiada kesan fotoelektrik. Jika tenaga foton melebihi fungsi kerja, maka lebihannya selepas penyerapan foton pergi ke tenaga kinetik awal fotoelektron.

Mengaplikasikannya untuk menerangkan undang-undang kesan fotoelektrik.

Persamaan Einstein untuk kesan fotoelektrik adalah kes khas undang-undang pemuliharaan dan transformasi tenaga. Dia mendasarkan teorinya pada undang-undang fizik kuantum yang masih muncul.

Einstein merumuskan tiga cadangan:

1. Apabila terdedah kepada jirim dengan elektron, foton kejadian diserap sepenuhnya.
2. Satu foton berinteraksi dengan hanya satu elektron.
3. Satu foton yang diserap menyumbang kepada pembebasan hanya satu fotoelektron dengan beberapa E kē .

Tenaga foton dibelanjakan untuk fungsi kerja (A keluar) elektron daripada bahan dan pada tenaga kinetik awalnya, yang akan menjadi maksimum jika elektron meninggalkan permukaan bahan.

E kē \u003d hυ - A keluar

Lebih besar frekuensi sinaran kejadian, lebih besar tenaga foton dan lebih banyak (tolak fungsi kerja) kekal untuk tenaga kinetik awal fotoelektron.

Lebih sengit sinaran kejadian, lebih banyak foton memasuki fluks cahaya dan lebih banyak elektron akan dapat meninggalkan bahan dan mengambil bahagian dalam penciptaan arus foto. Itulah sebabnya kekuatan arus foto tepu adalah proproporsional dengan fluks cahaya (I f us ~ F). Walau bagaimanapun, tenaga kinetik awal tidak bergantung kepada keamatan, kerana satu elektron menyerap tenaga hanya satu foton.