Šta je spoljašnji fotoelektrični efekat? Foto efekat

Fotoelektrični efekat je pojava izbacivanja elektrona iz tečnih i čvrstih materija pod uticajem svetlosti.

2. Opišite šematski dijagram Stoletovljevog eksperimenta. Šta su fotostruja i fotoelektroni?

U vakuumsku cijev postavljene su dvije elektrode - katoda i anoda, koje su spojene na izvor napona. Nije bilo struje u kolu bez paljenja katode. Kada su osvijetljeni, elektroni emitirani s katode svjetlošću privlače se na anodu.

Fotostruja je struja koja se stvara u kolu pod utjecajem svjetlosti, a fotoelektroni su izbačeni elektroni.

3. Formulirajte tri zakona fotoelektričnog efekta i objasnite strujno-naponsku karakteristiku fotoelektričnog efekta. Kako će izgledati s većim intenzitetom svjetlosti?

Zakoni fotoelektričnog efekta:

1) fotostruja zasićenja proporcionalna je intenzitetu svjetlosti koja pada na katodu.

2) maksimum kinetička energija fotoelektrona ne zavisi od intenziteta svetlosti i direktno je proporcionalna njegovoj frekvenciji.

3) postoji minimalna frekvencija svjetlosti za svaku supstancu, ispod koje fotoelektrični efekat nije moguć. Zove se crvena ivica fotoelektričnog efekta.

Pri niskim naponima, samo dio fotoelektrona stiže do anode. Što je veća razlika potencijala, to je veća fotostruja. Pri određenoj vrijednosti napona ona postaje maksimalna, naziva se fotostruja napona. Pri većem intenzitetu svjetlosti, fotostruja zasićenja će biti veća, a graf će ići viši.

4. Napišite i objasnite Einsteinovu jednačinu za fotoelektrični efekat. Koja se veličina naziva radna funkcija?

Energija fotona se koristi da prenese kinetičku energiju emitovanom fotoelektronu i da izvrši radnu funkciju. Radna funkcija je minimalna količina rada koja se mora obaviti da bi se uklonio elektron iz metala. Crveni obrub foto efekta.

Iznio je hipotezu: svjetlost se emituje i apsorbira u odvojenim dijelovima - kvantima (ili fotonima). Energija svakog fotona određena je formulom E= h ν , Gdje h - Plankova konstanta jednaka 6,63. 10 -34 J. s, ν - frekvencija svjetlosti. Planckova hipoteza objasnila je mnoge pojave: posebno fenomen fotoelektričnog efekta, koji je 1887. otkrio njemački naučnik Heinrich Hertz, a eksperimentalno proučavao ruski naučnik A.G. Stoletov.

Foto efekat — Ovo je fenomen emisije elektrona od strane supstance pod uticajem svetlosti.

Kao rezultat istraživanja ustanovljena su tri zakona fotoelektričnog efekta:

1. Jačina struje zasićenja je direktno proporcionalna intenzitetu svjetlosnog zračenja koje pada na površinu tijela.

2. Maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno sa frekvencijom svetlosti i ne zavisi od njenog intenziteta.

3. Ako je frekvencija svjetlosti manja od određene vrijednosti za ove supstance minimalne frekvencije, tada se fotoelektrični efekat ne javlja.

Zavisnost fotostruje od napona prikazana je na slici 36.

Teoriju fotoelektričnog efekta stvorio je njemački naučnik A. Einstein 1905. godine. Ajnštajnova teorija se zasniva na konceptu rada elektrona iz metala i konceptu kvantnog zračenja svjetlosti. Prema Ajnštajnovoj teoriji, fotoelektrični efekat ima sledeće objašnjenje: apsorbujući kvant svetlosti, elektron dobija energiju hv. Prilikom napuštanja metala energija svakog elektrona se smanjuje za određenu količinu, što se naziva radna funkcija(Ah van). Radna funkcija je rad potreban za uklanjanje elektrona iz metala. Maksimalna energija elektrona nakon odlaska (ako nema drugih gubitaka) ima oblik: mv 2 /2 = hv - A izlaz, Ova jednačina se zove Einsteinova jednačina .

Ako hν< Ali fotoelektrični efekat se ne javlja. znači, crveni obrub foto efekta jednako ν min = A izlaz /h

Uređaji zasnovani na principu fotoelektričnog efekta nazivaju se foto elementi. Najjednostavniji takav uređaj je vakuum fotoćelija. Nedostaci takve fotoćelije su: mala struja, niska osjetljivost na dugovalno zračenje, poteškoće u izradi, nemogućnost korištenja u strujnim krugovima AC. Koristi se u fotometriji za mjerenje intenziteta svjetlosti, svjetline, osvjetljenja, u bioskopu za reprodukciju zvuka, u fototelegrafima i fotofonima, u kontroli proizvodnih procesa.

Postoje poluvodičke fotoćelije u kojima se pod utjecajem svjetlosti mijenja koncentracija nosilaca struje. Koriste se u automatskom upravljanju električnim krugovima (na primjer, u krugovima podzemne željeznice), u krugovima naizmjenične struje i kao neobnovljiva struja. izvori u satovima, mikrokalkulatorima, prvi solarni automobili se testiraju, koriste se u na solarni pogon on umjetni sateliti Zemaljske, interplanetarne i orbitalne automatske stanice.

Fenomen fotoelektričnog efekta povezan je sa fotohemijskim procesima koji se dešavaju pod uticajem svetlosti u fotografskim materijalima.

Bez obzira koliko je prosječan čovjek daleko u svom svakodnevni život iz prošlosti školski program, ona ne, ne, i učiniće da se setite sebe. Upravo to se dešava kada je u pitanju fenomen vanjskog fotoelektričnog efekta.

Definicija

U fizici se fotoelektrični efekt smatra procesom poravnanja elektrona u atomima i molekulima tvari, koji nastaje i nastaje pod utjecajem svjetlosti. A vanjski fotoelektrični efekat je proces u kojem se elektroni izbijaju svjetlošću takvom silom da lete izvan vanjskih granica svoje supstance.

Malo istorije i prakse

Po prvi put ovo neverovatna činjenica privukao je pažnju jednog fizičara iz Njemačke davne 1887. Proučavanje otkrića nastavio je Hercov kolega, ruski fizičar Stoletov. I briljantni Ajnštajn je razvio teoriju fotoelektričnog efekta na osnovu ideja. Od tada je spoljni fotoelektrični efekat proučavan prilično duboko i sveobuhvatno, a stečeno znanje se u potpunosti koristi u razvoju i proizvodnji uređaja na bazi fotoćelija. Ako uzmemo najosnovniji primjer, to su automatske koje rade na fotoćelijama.

Mehanizmi ovog tipa rade na Međutim, fotoćelije, koje koriste samo vanjski fotoelektrični efekat, ne pretvaraju u potpunosti energiju primljenu zračenjem u električnu energiju. Stoga, nema posebne svrhe koristiti ih kao izvore električne energije, što se ne može reći za automatizaciju. Uz pomoć svjetlosnih zraka kontroliraju se električni krugovi u automatskim mehanizmima.

Bez pretjerivanja možemo reći da je otkriće fotoelektričnog efekta bilo istinski revolucionarni događaj u fizici. Evo njegovih najznačajnijih posljedica:

• naučnicima je otkrivena tajna prirode svetlosti, svetlosnog zraka;
• bioskop iz nijeme postalo je „pričanje“, izmišljene su metode pregovaranja glasa, a i sama činjenica prenošenja pokretne slike postala je moguća i zahvaljujući foto efektu;
• stvaranje, na osnovu fotoelektronskih uređaja, takvih mašina alatki i „pametnih mašina“ koje prema zadatim parametrima proizvode različite delove bez ljudske intervencije;
• mnogo različitih mehanizama zasnovanih na radu fotoelektronske automatizacije.

Dakle, sam fotoelektrični efekat i njegova primjena postali su svojevrsni proboj moderna tehnologija.

Klasifikacija fotoćelija

Foto efekti su podijeljeni u nekoliko tipova ovisno o njihovim svojstvima i funkcijama.

1. Eksterni fotoelektrični efekat (drugim riječima, emisija fotoelektrona). Elektroni koji izlete iz supstance kada ona nastane nazivaju se fotoelektroni. I koje formiraju kada se kreću na uredan način duž spoljašnjosti električno polje, počeo se nazivati ​​fotostruja.
2. Unutrašnji fotoelektrični efekat koji utiče na fotoprovodljivost supstance. Javlja se kada se elektroni preraspodijele između poluvodiča i dielektrika ovisno o njihovom energetskom stanju i agregatnom stanju - čvrstom ili tekućem. Fenomen preraspodjele javlja se pod utjecajem svjetlosti. Tada se povećava električna provodljivost supstance, tj. dobija se efekat fotoprovodljivosti.
3. Fotoelektrični efekat kapije - prijenos fotoelektrona sa njihovih tijela na druga čvrste materije(poluprovodnici) ili tečnost (elektroliti).

Eksterni fotoelektrični efekat je u osnovi rada modernih vakuum fotoćelija. Izrađuju se u obliku staklenih tikvica, u kojima se unutrašnja površina djelomično prekriven tankim slojem metalnog prskanja. Mala debljina sloja osigurava mali radni učinak. Prozirni prozor tikvice propušta svjetlost, a anoda smještena unutar njega u obliku žičane petlje ili diska hvata fotoelektrone. Ako je anoda spojena na pozitivni pol baterije, krug će se zatvoriti i kroz njega će teći električna struja. One. Vakumske fotoćelije mogu uključiti ili isključiti releje.

Kombinovanjem fotoćelija i releja možete kreirati različite mašine za „videnje“, na primer, mašinu u metrou.

Dakle, biti osnova mnogih proizvodni procesi, vanjski fotoefekat kao odličan fizičko otkriće postao kolateral uspješan rad industrijska automatizacija.

5. . 6. .

Godine 1900., njemački fizičar Max Planck predložio je hipotezu: svjetlost se emituje i apsorbira u odvojenim dijelovima - quanta(ili fotona). Energija svakog fotona određena je formulom , gdje je Plankova konstanta, jednaka , je frekvencija svjetlosti. Plankova hipoteza objasnila je mnoge pojave: posebno fenomen fotoelektričnog efekta, koji je 1887. otkrio njemački naučnik Hajnrih Herc, a eksperimentalno proučavao ruski naučnik Aleksandar Grigorijevič Stoletov.

Foto efekat- Ovo je fenomen emisije elektrona od strane supstance pod uticajem svetlosti. Ako cinčanu ploču spojenu na elektrometar napunite negativno i osvijetlite je električnim puhačem (slika 35), elektrometar će se brzo isprazniti.

Kao rezultat istraživanja ustanovljeni su sljedeći empirijski obrasci:

Broj elektrona koje emituje svetlost sa površine metala u 1 s je direktno proporcionalan energiji svetlosnog talasa apsorbovanog za to vreme;

Maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno sa frekvencijom svetlosti i zavisi od njenog intenziteta.

Osim toga, ustanovljena su dva osnovna svojstva.

Prvo, fotoelektrični efekat bez inercije: proces počinje odmah u trenutku osvjetljenja.

Drugo, prisustvo minimalne frekvencijske karakteristike svakog metala - crveni obrub foto efekat. Ova frekvencija je takva da kada se fotoelektrični efekat ne javlja ni pri jednoj svetlosnoj energiji, a ako je , onda fotoelektrični efekat počinje čak i pri niskoj energiji.

Teoriju fotoelektričnog efekta stvorio je njemački naučnik A. Einstein 1905. godine. Ajnštajnova teorija se zasniva na konceptu rada elektrona iz metala i konceptu kvantnog zračenja svjetlosti. Prema Ajnštajnovoj teoriji, fotoelektrični efekat ima sledeće objašnjenje: apsorbujući kvant svetlosti, elektron dobija energiju. Prilikom napuštanja metala energija svakog elektrona se smanjuje za određenu količinu, što se naziva radna funkcija(). Radna funkcija je rad potreban za uklanjanje elektrona iz metala. Dakle, maksimalna kinetička energija elektrona nakon emisije (ako nema drugih gubitaka) jednaka je: . dakle,

.

Ova jednačina se zove Ajnštajnove jednačine.

Uređaji bazirani na fotoelektričnom efektu nazivaju se fotoćelije. Najjednostavniji takav uređaj je vakuum fotoćelija. Nedostaci takve fotoćelije su niska struja, niska osjetljivost na dugovalno zračenje, poteškoće u izradi i nemogućnost korištenja u krugovima naizmjenične struje. Koristi se u fotometriji za mjerenje intenziteta svjetlosti, svjetline, osvjetljenja, u bioskopu za reprodukciju zvuka, u fototelegrafima i fotofonima, u kontroli proizvodnih procesa.

Postoje poluvodičke fotoćelije, u kojima se pod uticajem svetlosti menja koncentracija nosilaca struje. Koriste se u automatskom upravljanju električnim krugovima (npr. u okretnicama podzemne željeznice), u krugovima naizmjenične struje, kao neobnovljivi izvori struje u satovima, mikrokalkulatorima, testiraju se prvi solarni automobili, a koriste se u solarnim baterijama na umjetni Zemljini sateliti, interplanetarne i orbitalne automatske stanice.

Fenomen fotoelektričnog efekta povezan je sa fotohemijskim procesima koji se odvijaju pod uticajem svetlosti u fotografskim materijalima.

Max Planck

Kvantna svojstva svjetlosti

Godine 1900., njemački fizičar Max Planck iznio je hipotezu: svjetlost se emituje i apsorbira ne neprekidno, već u odvojenim dijelovima - quanta(ili fotona). Energija E svaki foton je određen formulom E = hv , Gdje h - koeficijent proporcionalnosti - Plankova konstanta, v - frekvencija svjetlosti. Eksperimentalno smo izračunali h= 6,63·10 -34 J·s. M. Planckova hipoteza je objasnila mnoge fenomene, odnosno fenomen fotoelektrični efekat, koji je 1887. godine otkrio njemački naučnik G. Hertz. Sledeći fotoefekat eksperimentalno proučavao ruski naučnik Stoletov.

Fotoelektrični efekat i njegovi zakoni

Šema Stoletovljevog eksperimenta

Fotoelektrični efekat je izbacivanje elektrona iz supstance pod uticajem svetlosti.
Kao rezultat istraživanja ustanovljeno je 3 zakona fotoelektričnog efekta:
1. Fotostruja zasićenja je direktno proporcionalna upadnom svjetlosnom toku.
2. Maksimalna kinetička energija fotoelektrona raste linearno sa frekvencijom svetlosti i zavisi od njenog intenziteta.
3. Za svaku supstancu postoji maksimalna talasna dužina na kojoj se fotoelektrični efekat još uvek opaža. Na velikim dužinama nema fotoelektričnog efekta.

Teoriju fotoelektričnog efekta stvorio je njemački naučnik A. Einstein 1905. godine. Ajnštajnova teorija se zasniva na konceptu rada elektrona iz metala i konceptu kvantnog zračenja svjetlosti. Prema Ajnštajnovoj teoriji, fotoelektrični efekat ima sledeće objašnjenje: apsorbujući kvant svetlosti, elektron dobija energiju. Prilikom napuštanja metala energija svakog elektrona se smanjuje za određenu količinu, što se naziva radna funkcija ( Avakh) . Radna funkcija je minimalna energija koja se mora prenijeti elektronu da bi napustio metal. Zavisi od vrste metala i stanja njegove površine. Maksimalna energija elektrona nakon odlaska (ako nema drugih gubitaka) ima oblik :

— Ovo je Ajnštajnova jednačina.

Ako h v< Avakh , tada se fotoelektrični efekat ne javlja. Granična frekvencija v min i ograničavanje talasne dužine λ max pozvao crveni obrub foto efekta. Izražava se ovako: v min =A/h , λ max = λ cr = hc/A, gdje je λ max (λ cr) maksimalna talasna dužina na kojoj se fotoelektrični efekat još uvijek opaža. Crveni foto efekat ivica za različite supstance drugačije, jer A zavisi od vrste supstance.

Primjena fotoelektričnog efekta u tehnici.
Uređaji bazirani na fotoelektričnom efektu nazivaju se fotoćelije. Najjednostavniji takav uređaj je vakuum fotoćelija. Nedostaci takve fotoćelije su: mala struja, niska osjetljivost na dugovalno zračenje, poteškoće u izradi, nemogućnost korištenja u krugovima naizmjenične struje. Koristi se u fotometriji za mjerenje intenziteta svjetlosti, svjetline, osvjetljenja, u bioskopu za reprodukciju zvuka, u fototelegrafima i fotofonima, u kontroli proizvodnih procesa.

Postoje poluvodičke fotoćelije u kojima se koncentracija nosilaca struje mijenja pod utjecajem svjetlosti. Dizajn fotootpornika je zasnovan na ovom fenomenu (unutrašnji fotoelektrični efekat). Koriste se u automatskom upravljanju električnim krugovima (na primjer, u okretnicama podzemne željeznice), u krugovima naizmjenične struje, u satovima i u mikrokalkulatorima. Poluprovodničke fotoćelije se koriste u solarnim ćelijama za svemirski brodovi, u prvim kolima.