Mis on väline fotoelektriline efekt? Fotoefekt

Fotoelektriline efekt on nähtus, kus elektronid paiskuvad valguse mõjul vedelatest ja tahketest ainetest välja.

2. Kirjeldage Stoletovi katse skemaatilist diagrammi. Mis on fotovool ja fotoelektronid?

Vaakumtorusse asetati kaks elektroodi – katood ja anood, mis ühendati pingeallikaga. Katoodi süütamata vooluringis ei olnud voolu. Valgustatuna tõmbuvad katoodilt valguse poolt kiiratavad elektronid anoodi poole.

Fotovool on vooluringis valguse mõjul tekkiv vool ja fotoelektronid on väljapaisatud elektronid.

3. Sõnasta fotoefekti kolm seadust ja selgita fotoefekti voolu-pinge karakteristikku. Kuidas see suurema valgustugevusega välja näeb?

Fotoefekti seadused:

1) küllastusfotovool on võrdeline katoodile langeva valguse intensiivsusega.

2) maksimum kineetiline energia fotoelektronid ei sõltu valguse intensiivsusest ja on otseselt võrdeline selle sagedusega.

3) iga aine jaoks on kehtestatud minimaalne valguse sagedus, millest allapoole ei ole fotoelektriline efekt võimalik. Seda nimetatakse fotoefekti punaseks servaks.

Madala pinge korral jõuab anoodile vaid murdosa fotoelektronitest. Mida suurem on potentsiaalide erinevus, seda suurem on fotovool. Teatud pinge väärtusel muutub see maksimaalseks, seda nimetatakse pinge fotovooluks. Suurema valgustugevuse korral on küllastuse fotovool suurem ja graafik läheb kõrgemaks.

4. Kirjutage ja selgitage Einsteini võrrand fotoelektrilise efekti jaoks. Millist suurust nimetatakse tööfunktsiooniks?

Footonienergiat kasutatakse kineetilise energia edastamiseks emiteeritud fotoelektroniga ja tööfunktsiooni täitmiseks. Tööfunktsioon on minimaalne töömaht, mis tuleb teha elektroni eemaldamiseks metallist. Punase fotoefektiga ääris.

Ta esitas hüpoteesi: valgus kiirgab ja neeldub eraldi portsjonitena - kvantidena (või footonitena). Iga footoni energia määratakse valemiga E= h ν , Kus h - Plancki konstant on võrdne 6,63-ga. 10-34 J. s, ν - valguse sagedus. Plancki hüpotees selgitas paljusid nähtusi: eelkõige fotoelektrilise efekti nähtust, mille avastas 1887. aastal saksa teadlane Heinrich Hertz ja mida uuris eksperimentaalselt vene teadlane A. G. Stoletov.

Fotoefekt — See on elektronide emissioon aine poolt valguse mõjul.

Uurimistöö tulemusena kehtestati kolm fotoelektrilise efekti seadust:

1. Küllastusvoolu tugevus on otseselt võrdeline keha pinnale langeva valguskiirguse intensiivsusega.

2. Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ega sõltu selle intensiivsusest.

3. Kui valguse sagedus on väiksem kui teatud väärtus sellest ainest minimaalne sagedus, siis fotoelektrilist efekti ei teki.

Fotovoolu sõltuvus pingest on näidatud joonisel 36.

Fotoelektrilise efekti teooria lõi saksa teadlane A. Einstein 1905. aastal. Einsteini teooria põhineb metallist pärinevate elektronide tööfunktsiooni kontseptsioonil ja valguse kvantkiirguse kontseptsioonil. Einsteini teooria kohaselt on fotoefektil järgmine seletus: neelates valguskvanti, omandab elektron energiat hv. Metallist lahkudes väheneb iga elektroni energia teatud summa võrra, mida nimetatakse tööfunktsioon(Ah välja). Tööfunktsioon on töö, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks metallist. Elektronide maksimaalne energia pärast lahkumist (kui muid kadusid puuduvad) on kujul: mv 2 /2 = hv – A väljund, Seda võrrandit nimetatakse Einsteini võrrandiks .

Kui hν< Kuid fotoelektrilist efekti ei teki. Tähendab, punane fotoefekti ääris võrdne ν min = A väljund / h

Fotoelektrilise efekti põhimõttel põhinevaid seadmeid nimetatakse fotoelemendid. Lihtsaim selline seade on vaakumfotoelement. Sellise fotoelemendi puudused on: madal vool, madal tundlikkus pikalainelise kiirguse suhtes, valmistamise raskused, vooluahelates kasutamise võimatus vahelduvvoolu. Seda kasutatakse fotomeetrias valgustugevuse, heleduse, valgustuse mõõtmiseks, kinos heli taasesitamiseks, fototelegraafides ja fotofonides, tootmisprotsesside juhtimisel.

On pooljuhtfotoelemente, milles valguse mõjul voolukandjate kontsentratsioon muutub. Neid kasutatakse elektriahelate automaatjuhtimisel (näiteks metroo pöördväravates), vahelduvvooluahelates ja taastumatu vooluna. allikad kellades, mikrokalkulaatorites, katsetatakse esimesi päikeseautosid, kasutatakse aastal päikese toitel peal tehissatelliite Maa, planeetidevahelised ja orbitaalsed automaatjaamad.

Fotoelektrilise efekti nähtus on seotud fotomaterjalides valguse mõjul toimuvate fotokeemiliste protsessidega.

Ükskõik, kui kaugel keskmine inimene on Igapäevane elu minevikust kooli õppekava, ta ei, ei ja paneb sind ennast meenutama. Täpselt nii juhtub, kui tegemist on välise fotoelektrilise efektiga.

Definitsioon

Füüsikas loetakse fotoelektriliseks efektiks elektronide joondamise protsessi aine aatomites ja molekulides, mis tekib ja toimub valguse mõjul. Ja väline fotoelektriline efekt on protsess, mille käigus valgus lööb elektronid välja sellise jõuga, et nad lendavad üle oma aine välispiiride.

Natuke ajalugu ja praktikat

Esimest korda see hämmastav fakt juhtis Saksamaa füüsiku tähelepanu juba 1887. aastal. Avastuse uurimist jätkas Hertzi kolleeg, vene füüsik Stoletov. Ja geniaalne Einstein arendas ideedele tuginedes välja fotoelektrilise efekti teooria. Sellest ajast on välist fotoelektrilist efekti uuritud üsna süvitsi ja igakülgselt ning saadud teadmisi rakendatakse täiel määral fotoelementidel põhinevate seadmete väljatöötamisel ja tootmisel. Kui võtame kõige elementaarsema näite, on need automaatsed, mis töötavad fotoelementidel.

Seda tüüpi mehhanismid töötavad Kuid fotoelemendid, mis kasutavad ainult välist fotoelektrilist efekti, ei muuda kiirgusega saadud energiat täielikult elektrienergiaks. Seetõttu pole erilist mõtet neid elektriallikana kasutada, mida ei saa öelda automatiseerimise kohta. Valguskiirte abil juhitakse automaatsete mehhanismide elektriahelaid.

Liialdamata võime öelda, et fotoelektrilise efekti avastamine oli füüsikas tõeliselt revolutsiooniline sündmus. Siin on selle kõige olulisemad tagajärjed:

• teadlastele avanes valguse olemuse saladus, valguskiir;
• vaikivast kinost sai “rääkimine”, leiutati häälkõnemeetodid ning tänu fotoefektile sai võimalikuks ka liikuva pildi edastamise fakt;
• selliste tööpinkide ja „tarkade masinate“ loomine fotoelektroonilistel seadmetel, mis vastavalt etteantud parameetritele toodavad erinevaid detaile ilma inimese sekkumiseta;
• palju erinevaid mehhanisme, mis põhinevad fotoelektroonilise automaatika tööl.

Seega sai fotoelektriline efekt ise ja selle rakendamine omamoodi läbimurdeks moodne tehnoloogia.

Fotoelementide klassifikatsioon

Fotoefektid jagunevad sõltuvalt nende omadustest ja funktsioonidest mitut tüüpi.

1. Väline fotoelektriline efekt (teisisõnu fotoelektronide emissioon). Elektrone, mis lenduvad ainest välja selle ilmumisel, nimetatakse fotoelektroniteks. Ja mille nad moodustavad, kui nad liiguvad korrapäraselt mööda välist elektriväli, hakati kutsuma fotovooluks.
2. Sisemine fotoelektriline efekt, mis mõjutab aine fotojuhtivust. See tekib siis, kui elektronid jaotatakse ümber pooljuhtide ja dielektrikute vahel sõltuvalt nende energiaolekust ja agregaadi olekust - tahke või vedel. Ümberjaotumise nähtus toimub valguse mõjul. Just siis suureneb aine elektrijuhtivus, s.o. saadakse fotojuhtivuse efekt.
3. Värava fotoelektriline efekt – fotoelektronide ülekandmine nende kehadest teistele tahked ained(pooljuhid) või vedelikud (elektrolüüdid).

Väline fotoelektriline efekt on kaasaegsete vaakumfotoelementide töö aluseks. Need on valmistatud klaaskolbide kujul, milles sisepind osaliselt kaetud õhukese pihustuskihiga metallist. Kihi väike paksus tagab väikese töömahu. Kolvi läbipaistev aken laseb valgust sisse ja selle sees asuv anood traadisilmuse või ketta kujul püüab fotoelektrone. Kui anood on ühendatud aku positiivse poolusega, siis vooluahel suletakse ja seda läbib elektrivool. Need. Vaakumfotoelemendid võivad releed sisse või välja lülitada.

Kombineerides fotoelemente ja releesid, saab luua erinevaid “nägevaid” masinaid, näiteks metroos oleva masina.

Seega, olles paljude aluseks tootmisprotsessid, väline fotoefekt sama suur füüsiline avastus sai tagatiseks edukas töö tööstusautomaatika.

5. . 6. .

1900. aastal pakkus saksa füüsik Max Planck välja hüpoteesi: valgus kiirgab ja neeldub eraldi portsjonitena. kvantid(või footonid). Iga footoni energia määratakse valemiga , kus Plancki konstant on võrdne valguse sagedusega. Plancki hüpotees selgitas paljusid nähtusi: eriti fotoelektrilise efekti nähtust, mille avastas 1887. aastal saksa teadlane Heinrich Hertz ja mida uuris eksperimentaalselt vene teadlane Aleksandr Grigorjevitš Stoletov.

Fotoefekt- See on elektronide emissioon aine poolt valguse mõjul. Kui laete elektromeetriga ühendatud tsinkplaati negatiivselt ja valgustate seda elektripuhuriga (joonis 35), tühjeneb elektromeeter kiiresti.

Uuringu tulemusena loodi järgmised empiirilised mustrid:

Metalli pinnalt valguse poolt 1 s jooksul kiiratud elektronide arv on otseselt võrdeline selle aja jooksul neeldunud valguslaine energiaga;

Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ja sõltub selle intensiivsusest.

Lisaks kehtestati kaks põhiomadust.

Esiteks inertsivaba fotoelektriline efekt: protsess algab kohe valgustamise hetkel.

Teiseks, iga metalli minimaalse sageduskarakteristiku olemasolu - punase äärisega fotoefekt. See sagedus on selline, et kui fotoelektrilist efekti ei teki ühegi valgusenergia juures ja kui , siis algab fotoefekt isegi madala energia korral.

Fotoelektrilise efekti teooria lõi saksa teadlane A. Einstein 1905. aastal. Einsteini teooria põhineb metallist pärinevate elektronide tööfunktsiooni kontseptsioonil ja valguse kvantkiirguse kontseptsioonil. Einsteini teooria kohaselt on fotoefektil järgmine seletus: neelates valguskvanti, omandab elektron energiat. Metallist lahkudes väheneb iga elektroni energia teatud summa võrra, mida nimetatakse tööfunktsioon(). Tööfunktsioon on töö, mis on vajalik elektroni eemaldamiseks metallist. Seetõttu on elektronide maksimaalne kineetiline energia pärast emissiooni (kui muid kadusid puuduvad) võrdne: . Seega

.

Seda võrrandit nimetatakse Einsteini võrrandid.

Fotoelektrilisel efektil põhinevaid seadmeid nimetatakse fotoelementideks. Lihtsaim selline seade on vaakumfotoelement. Sellise fotoelemendi puudusteks on madal vool, madal tundlikkus pikalainelise kiirguse suhtes, valmistamise raskus ja võimatus vahelduvvooluahelates kasutada. Seda kasutatakse fotomeetrias valgustugevuse, heleduse, valgustuse mõõtmiseks, kinos heli taasesitamiseks, fototelegraafides ja fotofonides, tootmisprotsesside juhtimisel.

Seal on pooljuhtfotoelemendid ja milles valguse mõjul voolukandjate kontsentratsioon muutub. Neid kasutatakse elektriahelate automaatjuhtimisel (näiteks metroo pöördväravates), vahelduvvooluahelates, taastumatute vooluallikatena kellades, mikrokalkulaatorites, katsetatakse esimesi päikeseautosid ning neid kasutatakse päikesepatareides tehis Maa satelliidid, planeetidevahelised ja orbitaalsed automaatjaamad.

Fotoelektrilise efekti nähtus on seotud fotomaterjalides valguse mõjul toimuvate fotokeemiliste protsessidega.

Max Planck

Valguse kvantomadused

1900. aastal pakkus saksa füüsik Max Planck välja hüpoteesi: valgust kiirgatakse ja neeldutakse mitte pidevalt, vaid eraldi portsjonitena. kvantid(või footonid). Energia E iga footon määratakse valemiga E = hv , Kus h - proportsionaalsuskoefitsient - Plancki konstant, v - valguse sagedus. Arvutasime eksperimentaalselt h= 6,63·10-34 J·s. M. Plancki hüpotees selgitas paljusid nähtusi, nimelt nähtust fotoelektriline efekt, mille avastas 1887. aastal saksa teadlane G. Hertz. Edasi fotoefekt uuris eksperimentaalselt vene teadlane Stoletov.

Fotoelektriline efekt ja selle seadused

Stoletovi eksperimendi skeem

Fotoelektriline efekt on elektronide väljutamine ainest valguse mõjul.
Uurimistöö tulemusena tehti kindlaks 3 fotoelektrilise efekti seadust:
1. Küllastuse fotovool on otseselt võrdeline langeva valgusvooga.
2. Fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb lineaarselt valguse sagedusega ja sõltub selle intensiivsusest.
3. Igal ainel on maksimaalne lainepikkus, mille juures fotoelektrilist efekti veel täheldatakse. Pikkadel pikkustel puudub fotoelektriline efekt.

Fotoelektrilise efekti teooria lõi saksa teadlane A. Einstein 1905. aastal. Einsteini teooria põhineb metallist pärinevate elektronide tööfunktsiooni kontseptsioonil ja valguse kvantkiirguse kontseptsioonil. Einsteini teooria kohaselt on fotoefektil järgmine seletus: neelates valguskvanti, omandab elektron energiat. Metallist lahkudes väheneb iga elektroni energia teatud summa võrra, mida nimetatakse tööfunktsiooniks ( avahh) . Tööfunktsioon on minimaalne energia, mis tuleb elektronile anda, et see metallist lahkuks. See sõltub metalli tüübist ja selle pinna seisukorrast. Maksimaalne elektronenergia pärast emissiooni (kui muid kadusid puuduvad) on kujul :

— See on Einsteini võrrand.

Kui h v< avahh , siis fotoelektrilist efekti ei teki. Piira sagedust v min ja piirav lainepikkus λ max helistas punane fotoefekti ääris. Seda väljendatakse järgmiselt: v min =A/h, λmax = λcr = hc/A, kus λ max (λ cr) on maksimaalne lainepikkus, mille juures fotoelektrilist efekti veel täheldatakse. Punase fotoefektiga ääris erinevaid aineid erinev, sest A oleneb aine tüübist.

Fotoelektrilise efekti rakendamine tehnoloogias.
Fotoelektrilisel efektil põhinevaid seadmeid nimetatakse fotoelementideks. Lihtsaim selline seade on vaakumfotoelement. Sellise fotoelemendi puudused on: madal vool, madal tundlikkus pikalainelise kiirguse suhtes, valmistamise raskus, vahelduvvooluahelates kasutamise võimatus. Seda kasutatakse fotomeetrias valgustugevuse, heleduse, valgustuse mõõtmiseks, kinos heli taasesitamiseks, fototelegraafides ja fotofonides, tootmisprotsesside juhtimisel.

On pooljuhtfotoelemente, milles voolukandjate kontsentratsioon valguse mõjul muutub. Fototakistite disain põhineb sellel nähtusel (sisemine fotoelektriline efekt). Neid kasutatakse elektriahelate automaatjuhtimisel (näiteks metroo pöördväravad), vahelduvvooluahelates, kellades ja mikrokalkulaatorites. Pooljuhtfotoelemente kasutatakse päikesepatareides kosmoselaevad, esimestes autodes.