Apsveriet, kā Heinriha Herca fotoelektriskā efekta atklāšana noveda pie Alberta Einšteina gaismas teorijas Fotoelektriskā efekta skaidrojums. Enciklopēdija Britannica, Inc. Skatiet visus šī raksta videoklipus
fotoelektriskais efekts , parādība, kurā elektriski uzlādētas daļiņas tiek atbrīvotas no materiāla vai materiāla iekšienē, kad tas absorbē elektromagnētisko starojumu. Efektu bieži definē kā elektronu izstumšanu no metāla plāksnes, kad uz to nokrīt gaisma. Plašākā definīcijā izstarotā enerģija var būt infrasarkanais , redzamā vai ultravioletā gaisma, Rentgens vai gamma stari; materiāls var būt ciets, šķidrs vai gāzveida; un atbrīvotās daļiņas var būt joni (elektriski uzlādēti atomi vai molekulas), kā arī elektroni. Šī parādība bija fundamentāli nozīmīga mūsdienu attīstībā fizika neskaidro jautājumu dēļ, ko tā izvirzīja par gaismas raksturu - daļiņu un viļņainas izturēšanās -, ko Alberts Einšteins beidzot atrisināja 1905. gadā. Ietekme joprojām ir svarīga pētījumiem apgabalos no materiālu zinātne astrofizikai, kā arī veido pamatu dažādām noderīgām ierīcēm.
Fotoelektrisko efektu 1887. gadā atklāja vācu fiziķis Heinrihs Rūdolfs Hercs . Saistībā ar darbu pie radioviļņiem, Hercs novēroja, ka, ultravioletajai gaismai spīdot uz diviem metāla elektrodiem, uz kuriem tiek iedarbināts spriegums, gaisma maina spriegumu, pie kura notiek dzirksteļošana. Šī saikne starp gaismu un elektrību (tātad fotoelektrisks ) 1902. gadā precizēja cits vācu fiziķis Filips Lenards. Viņš parādīja, ka elektriski uzlādētas daļiņas tiek atbrīvotas no metāla virsmas, kad tā ir izgaismots un ka šīs daļiņas ir identiskas elektroniem, kurus bija atklājis britu fiziķis Džozefs Džons Tomsons 1897. gadā.
Turpmākie pētījumi parādīja, ka fotoelektriskais efekts ir gaismas un vielas mijiedarbība, ko nevar izskaidrot ar klasisko fiziku, kas gaismu raksturo kā elektromagnētisko vilni. Viens neizskaidrojams novērojums bija tāds, ka atbrīvoto elektronu maksimālā kinētiskā enerģija nemainījās atkarībā no gaismas intensitātes, kā paredzēts saskaņā ar viļņu teoriju, bet tā vietā bija proporcionāla gaismas frekvencei. Gaismas intensitāte noteica no metāla izdalīto elektronu skaitu (mērot kā elektriskā strāva ). Vēl viens mulsinošs novērojums bija tāds, ka praktiski nebija laika nobīdes starp radiācijas ierašanos un elektronu emisiju.
fotoelektriskais efekts: Einšteina Nobela prēmijas laureāts Braiens Grīns apspriež fotoelektriskā efekta galveno formulu - ieskatu, kas palīdzēja sākt kvantu revolūciju. Šis video ir viņa epizode Dienas vienādojums sērija. Pasaules zinātnes festivāls (Britannica izdevniecības partneris) Skatiet visus šī raksta videoklipus
Šo negaidīto uzvedību apsvēršana lika Albertam Einšteinam 1905. gadā noformulēt jaunu korpuskulāru gaismas teoriju, kurā katra gaismas daļiņa vai fotons satur noteiktu enerģijas daudzumu vai kvantu, kas ir atkarīgs no gaismas frekvences. Jo īpaši fotons nes enerģiju IS vienāds ar h f , kur f ir gaismas frekvence un h ir universālā konstante, kuru vācu fiziķis Makss Planks 1900. gadā ieguva, lai izskaidrotu viļņa garums melnā ķermeņa starojuma sadalījums - tas ir, elektromagnētiskais starojums, ko izstaro karsts ķermenis. Attiecības var rakstīt arī līdzvērtīgā formā IS = h c / λ, kur c ir gaismas ātrums un λ ir viļņa garums, parādot, ka fotona enerģija ir apgriezti proporcionāla tā viļņa garumam.
Einšteins pieņēma, ka fotons iekļūs materiālā un pārsūtīs tā enerģiju uz elektronu. Kad elektrons lielā ātrumā pārvietojās pa metālu un beidzot iznāca no materiāla, tā kinētiskā enerģija samazināsies par daudzumu ϕ, ko sauc par darba funkciju (līdzīgi kā elektroniskā darba funkcija), kas atspoguļo enerģiju, kas nepieciešama elektronam, lai aizbēgtu no metāls. Autors enerģijas saglabāšana , šis pamatojums noveda Einšteinu pie fotoelektriskā vienādojuma IS uz = h f - ϕ, kur IS uz ir izstumtā elektrona maksimālā kinētiskā enerģija.
Lai gan Einšteina modelis aprakstīja elektronu emisiju no apgaismotas plāksnes, viņa fotons hipotēze bija pietiekami radikāls, ka tas nebija vispārpieņemts, kamēr tas netika pārbaudīts tālāk. Turpmāka apstiprināšana notika 1916. gadā, kad amerikāņu fiziķis veica ārkārtīgi precīzus mērījumus Roberts Millikans pārbaudīja Einšteina vienādojumu un ar lielu precizitāti parādīja, ka Einšteina konstantes vērtība h bija tāds pats kā Plancka konstante . Einšteinam 1921. gadā par fotoelektriskā efekta izskaidrošanu beidzot tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
1922. gadā amerikāņu fiziķis Artūrs Komptons izmēra rentgenstaru viļņa garuma izmaiņas pēc to mijiedarbības ar brīvajiem elektroniem, un viņš parādīja, ka izmaiņas var aprēķināt, apstrādājot rentgenstarus kā fotonus. Par šo darbu Komptons saņēma 1927. gada Nobela prēmiju fizikā. 1931. gadā britu matemātiķis Ralfs Hovards Faulers paplašināja izpratni par fotoelektrisko emisiju, nosakot saikni starp fotoelektrisko strāvu un temperatūru metālos. Turpmākie centieni parādīja, ka elektromagnētiskais starojums var izstarot arī elektronus izolatori , kas nevada elektrību, un pusvadītājos dažādi izolatori, kas elektrību vada tikai noteiktos apstākļos.
Saskaņā ar kvantu mehāniku, elektroni, kas saistīti ar atomiem, notiek īpašās elektroniskās konfigurācijās. Augstākā enerģijas konfigurācija (vai enerģijas josla), ko parasti aizņem elektroni konkrētam materiālam, ir pazīstama kā valences josla, un tās piepildījuma pakāpe lielā mērā nosaka materiāla elektrovadītspēju. Tipiskā šoferis (metāls), valences josla ir aptuveni puse piepildīta ar elektroniem, kas viegli pārvietojas no atoma uz atomu, nesot strāvu. Labā izolators , piemēram, stikls vai gumija, valences josla ir piepildīta, un šiem valences elektroniem ir ļoti maza mobilitāte. Tāpat kā izolatoriem, arī pusvadītājiem valences joslas parasti ir piepildītas, taču, atšķirībā no izolatoriem, elektrona ierosināšanai no valences joslas uz nākamo atļauto enerģijas joslu, kas pazīstama kā vadīšanas josla, ir vajadzīgs ļoti maz enerģijas, jo jebkurš elektrons ir satraukti ar šo augstāko enerģiju līmenis ir salīdzinoši bezmaksas. Piemēram, silīcija joslas atstarpe ir 1,12 eV (elektronvolti), bet gallija arsenīda - 1,42 eV. Tas atrodas enerģijas diapazonā, ko nes infrasarkanās un redzamās gaismas fotoni, kas līdz ar to pusvadītājos esošos elektronus var paaugstināt līdz vadīšanas joslai. (Salīdzinājumam: parastā lukturīša akumulators katram elektronam, kas iet caur to, piešķir 1,5 eV. Lai pārvarētu joslu atstarpi izolatoros, nepieciešams daudz enerģētiskāks starojums.) Atkarībā no tā, kā pusvadītāja materiāls ir konfigurēts, šis starojums var uzlabot tā elektrovadītspēja, pievienojot elektriskajai strāvai, ko jau izraisījis pielietotais spriegums ( redzēt fotovadītspēja), vai arī tas var radīt spriegumu neatkarīgi no ārējiem sprieguma avotiem ( redzēt fotoelektriskais efekts).
Fotovadītspēja rodas no elektroniem, kurus atbrīvo gaisma, un no pozitīvas lādiņa plūsmas. Elektroni, kas izvirzīti uz vadīšanas joslu, atbilst trūkstošajiem negatīvajiem lādiņiem valences joslā, ko sauc par caurumiem. Gan elektroni, gan caurumi palielina strāvas plūsmu, kad pusvadītājs tiek apgaismots.
Fotoelektriskajā efektā spriegums rodas, kad krītošās gaismas atbrīvotie elektroni tiek atdalīti no radītajām atverēm, radot atšķirību elektriskajā potenciālā. To parasti veic, izmantojot a lpp - n savienojums, nevis tīrs pusvadītājs. A lpp - n krustojums notiek krustojumā starp lpp tips (pozitīvs) un n tipa (negatīvie) pusvadītāji. Šie pretējie reģioni tiek izveidoti, pievienojot dažādus piemaisījumus, lai radītu lieko elektronu ( n - tips) vai pārmērīgas caurumi ( lpp -tips). Apgaismojums atbrīvo elektronus un caurumus krustojuma pretējās pusēs, lai visā krustojumā radītu spriegumu, kas var virzīt strāvu, tādējādi gaismu pārveidojot par elektrisko enerģiju.
cik balsu saņem katra valsts
Citus fotoelektriskos efektus izraisa starojums augstākās frekvencēs, piemēram, Rentgens un gamma stari. Šie augstākas enerģijas fotoni var pat atbrīvot elektronus atoma kodola tuvumā, kur tie ir cieši saistīti. Izmetot šādu iekšējo elektronu, augstākas enerģijas ārējais elektrons ātri nokrīt, lai aizpildītu vakanci. Enerģijas pārpalikums rada viena vai vairāku papildu elektronu emisiju no atoma, ko sauc par Augera efektu.
Pie lielām fotonu enerģijām redzams arī Komptona efekts, kas rodas, kad Rentgens vai gamma staru fotoni saduras ar elektronu. Efektu var analizēt pēc tiem pašiem principiem, kas regulē sadursmi starp jebkuriem diviem ķermeņiem, ieskaitot impulsa saglabāšanu. Fotons zaudē enerģiju elektronam, samazinājums, kas atbilst palielinātam fotona viļņa garumam saskaņā ar Einšteina saistību IS = h c / λ. Ja sadursme ir tāda, ka elektrons un fotons atrodas taisnā leņķī viens pret otru, fotona viļņa garums palielinās par raksturīgo daudzumu, ko sauc par Compton viļņa garumu, 2,43 × 10−12skaitītājs.
Copyright © Visas Tiesības Aizsargātas | asayamind.com