Photoeffekt

Der Festkörperphysik der photoelektrische Effekt ist das physikalische Phänomen, das durch die Emission von Elektronen aus einer Oberfläche, in der Regel Metall, wenn es durch eine elektromagnetische Strahlung getroffen werden, nämlich durch Photonen mit einer bestimmten Wellenlänge.

Allgemeinheit

Wie auch Einstein, die Aufnahme der Theorie der Planck zeigte der photoelektrischen Effekt der Quantennatur des Lichts. Bei der elektromagnetischen Strahlungsenergie nicht gleichmäßig über die gesamte Fläche der Welle verteilt, sondern in einzelnen Energiequanten, Photonen engt und jedes Photon mit einem Elektronenstrahl, der auf und erhält seine Energie in Wechselwirkung einzeln. Um auftreten ist es notwendig, dass das Photon hat genug Energie, um das Band, das elektrische band das Elektronenatom hält brechen. Das "Minimum" der Photonenenergie wird durch die Einstein-Relation E = h · f = h · bestimmt.

In anderen Worten können die Elektronen des Metalls nur verlassen, wenn die Photonenenergie mindestens gleich "Austrittsarbeit". Es besteht daher eine "minimale Schwelle" der Extraktion für jedes Metall, das sich auf oder an der Wellenlänge oder der Frequenz der einfallenden Photonen und daher seine Energie "hf", die mit der "Extraktion Arbeitseinstimmt ".

Der Schwellenwert variiert in Abhängigkeit von der Art des in Frage kommenden Materials und hängt daher von der Ordnungsmerkmale; Auch der Grad der Reinheit des Metalls beeinflusst den Schwellenwert.

In der folgenden Tabelle gezeigt sind die Schwellenwerte einiger Metalle. Der anfängliche Bezugspunkt bekannt ist, dass der Extraktionsarbeit in eV, was äquivalent zu dem Schwellenwert des einfallenden Photons am betreffenden Metalls ist; die Schwellenwerte in den Spalten 3, 4 und 5 wurden aus den jeweiligen Formeln erhalten.


SCHWELLENWERTE für die Ausgabe von ELECTRON durch eine Metall

Beachten Sie, dass:

  • die Energie in eV und die Energie in Joule durch Beziehung E = E x verbunden.
  • f = E / H, wobei "h" = 6,626 x 10Js die Plancksche Konstante ist und die Frequenz: Die Photonenenergie wird auch durch die Einstein-Relation E = h · f, der die Frequenz der Photonen ergibt gegebenen Es ist in Hz ausgedrückt.
  • durch die Beziehung c = f • λ folgt, dass λ = c / f. Beachten Sie, dass "λ" wird allgemein ausgedrückt in Nanometern, aber bei den Berechnungen wird in Metern ausgedrückt werden.

Oft die Parameteranfangsschwellen bekannt ist:

  • die Wellenlänge λ; in einem solchen Fall ist es notwendig, zu entscheiden, "f" ist, dann die Energie der einfallenden Photonen in Joules und in eV.
  • die Energie der einfallenden Photonen in Joule; in einem solchen Fall ist es notwendig, zu entscheiden, "f", und λ und schließlich die Photonenenergie in eV.

Mit zunehmender Energie der einfallenden Photonen erhöht auch die kinetische Energie der Elektronen extrahiert.

Es sollte in diesem Zusammenhang, dass durch die Erhöhung der Intensität der elektromagnetischen Strahlung wird die Anzahl der Elektronen extrahiert aber nicht ihre kinetische Energie, die ausschließlich von der Energie der einfallenden Photonen hängt hervorzuheben. Dies ist eine Konsequenz der Quantentheorie von Einstein, wonach jeder einfallende Photon interagiert mit nur einem Elektron. In der Tat, nach der Wellentheorie klassischen Maxwell die Extraktion der Elektronen aus der Metall hängt von der Intensität des Bestrahlungs pro Oberflächeneinheit und ignoriert daher die Frequenz der einfallenden Strahlung.

Die photoelektrischen Effekt, die Gegenstand von Untersuchungen durch viele Physiker, ist von grundlegender Bedeutung für das Verständnis der Quantennatur des Lichts.

Ein besonderer Fall des photoelektrischen Effekts ist der photovoltaischen Effekt.

Historische Notizen

Die Entdeckung des photoelektrischen Effekts geht auf die zweite Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts, und die Versuche, den Lauf in Flüssigkeiten und Gasen erklären, zurückgeführt werden.

Hertz im Jahre 1887, die Aufnahme und die Entwicklung der Studien von Schuster für den Download Leiter elektrisch durch einen elektrischen Funken in der Umgebung angeregt, erkannte er, dass dieses Phänomen ist intensiver, wenn die Elektroden mit UV-Licht beleuchtet.

Im gleichen Jahr Wiedemann und Ebert festgestellt, dass der Sitz der Wirkung der Entladung der negativen Elektrode und Hall gefunden, daß die Dispersion der negativen elektrischen Ladungen werden beschleunigt, wenn die Leiter mit ultraviolettem Licht beleuchtet wird.

Im Frühjahr 1888, der italienische Physiker Augusto Righi, in einem Versuch, die beobachteten Phänomene zu verstehen, entdeckte eine neue Tatsache: eine leitfähige Metallplatte durch eine UV-Strahlung betroffen ist positiv geladen. Righi eingeführt, zunächst der Begriff "photoelektrische", um das Phänomen zu beschreiben.

Hallwachs, der vermutet hatte, sondern das Phänomen ein paar Monate vor Righi nicht bestätigt, nach ein paar Monaten zeigten, unabhängig von Italienisch, daß es kein Verkehr, aber die tatsächliche Erzeugung von Strom.

Die Priorität der Entdeckung der beiden Wissenschaftler ein Streit entstand, berichteten auf den Seiten des Il Nuovo Cimento. Die wissenschaftliche Gemeinschaft aufgeschnappt und beschlossen die Kontroverse durch den Aufruf der Hertz-Effekt Phänomen Hallwachs.

Einstein wurde später im Jahr 1905, um die korrekte Interpretation zu geben, der spürte, dass die Extraktion von Elektronen aus dem Metall ist viel mehr konsequent von der Annahme, dass die elektromagnetische Strahlung wurde der Energiepakete, oder wie viele, so genannte Photonen zusammengesetzt erläutert.

Die Quantenhypothese von Einstein wurde erst in einigen Jahren einen wichtigen Teil der wissenschaftlichen Gemeinschaft, einschließlich Hendrik Lorentz, Max Planck und Robert Millikan akzeptiert, wonach die Existenz von Photonen war eine unannehmbare Aussage, wenn man bedenkt, dass in den Erscheinungen Interferenz elektromagnetischer Strahlung verhalten sich wie Wellen. Die anfängliche Skepsis dieser großen Wissenschaftler überrascht nicht, da auch Max Planck, der als erster die Existenz von vielen vorgeschlagen, geglaubte, seit mehreren Jahren, dass diejenigen, waren nur ein Trick, nicht eine echte physikalische Phänomen . Aber noch im selben Robert Millikan experimentell bewiesen die Hypothese Einstein Energie des Photons, Elektronenstrahl und dann ausgegeben wird, die nur von der Frequenz der Strahlung abhängt, und im Jahre 1916 wurde eine Studie über die vom Natrium, das die klassische Theorie wider emittierten Elektronen gemacht Wellen Maxwell.

Die korpuskularen Aspekt der Licht wurde schließlich durch experimentelle Studien von Arthur Holly Compton bestätigt. In der Tat, der amerikanische Physiker im Jahre 1921 festgestellt, dass bei den Kollisionen mit Elektronen, Photonen verhalten sich wie Teilchen Materialien mit Energie und Dynamik, die gewahrt werden; 1923 veröffentlichte er die Ergebnisse seiner Experimente, die unbestritten die Hypothese von Einstein bestätigt: die elektromagnetische Strahlung besteht aus Personen, die mit den Elektronen interagieren, so verhalten, als einzelne Teilchen. Für die Entdeckung des gleichen Namens Arthur Compton erhielt den Nobelpreis im Jahr 1927.

Für seine Arbeiten über den photoelektrischen Effekt und die anschließende Entdeckung der Lichtquanten Einstein erhielt den Nobelpreis für Physik 1921.

Das Experiment Lenard

Der photoelektrische Effekt wurde 1887 von Hertz-Versuch entworfen, um zu erzeugen und zu detektieren elektromagnetische Wellen offenbart; in diesem Experiment verwendet Hertz eine Funkenstrecke in einem abgestimmten Schaltkreis, um Wellen und andere ähnliche Schaltung zu offenbaren, zu erzeugen. 1900 Lenard sucht diese Wirkung festgestellt, dass Licht, das auf eine Metalloberfläche verursacht die Emission von Elektronen, deren Energie nicht von der Lichtintensität abhängt, sondern durch seine Farbe, das heißt, von der Frequenz.

Wenn Licht auf eine Metalloberfläche sauber Elektronen emittiert werden. Wenn einige von ihnen traf die Anode A wird ein Strom in den externen Kreislauf gemessen. Die Anzahl der emittierten Elektronen, die die Anode erreichen kann erhöht oder indem die Anoden positiv oder negativ gegenüber der Kathode verringert werden.

Wobei V die Potentialdifferenz zwischen A und C, ist zu erkennen, daß erst ab einem bestimmten Potential dann beginnt der Strom zirkuliert, die Erhöhung bis zu einem Maximalwert, der konstant bleibt, zu erreichen. Dieser Maximalwert ist, als entdeckt Lenard, direkt proportional zu der Intensität des einfallenden Lichts. Das Potential Verhaftung wird die kinetische Energie der Elektronen, die von der maximalen Bericht emittiert bezogenen

wo mich die Elektronenmasse, v seine Geschwindigkeit und seine Ladung.

Jetzt ist die Beziehung zwischen den beiden Figuren, die gerade angegeben, weil, wenn V negativ ist, werden Elektronen von der Anode abgestossen, außer wenn die kinetische Energie erlaubt es ihnen, sich jedoch auf der letzteren vor. Auf der anderen Seite wurde festgestellt, daß das Potential Verhaftung nicht auf die Intensität des einfallenden Lichts abhängt, überraschend die Versuchsleiter, die das Gegenteil zu erwarten war. In der Tat, klassisch, das elektrische Feld von der Strahlung durchgeführt müsste in schwingenden Elektronen in der Oberflächenschicht bis zu den Metall rippen setzen. Freigegeben wird, würde ihre kinetische Energie proportional zu der Intensität des einfallenden Lichts und seine Frequenz zu sein, da es experimentell schien.

Emission von Kathodenstrahlen durch die Exposition von Festkörpern

Einstein, in der Arbeit von 1905, die ihm den Nobelpreis im Jahr 1921 verdient für Physik, liefert eine Erklärung der experimentellen Fakten auf der Basis, dass die einfallende Strahlung hat Energie quantisiert. In der Tat die Photonen, die auf Metall ankommen verlieren Energie an die Elektronen von der Oberflächenschicht des Festkörpers; die Elektronen zu gewinnen, so die benötigt wird, um das Band in diesem Sinne die einfachste Hypothese ist, dass die Photonenausbeuten zur Elektronen die gesamte Energie in seinem Besitz brechen Energie. An dieser Stelle das Elektron die Energie aufwenden, um die Bindung Teil brechen und erhöhen seine kinetische Energie, die ihm erlauben, an die Oberfläche zu bekommen wird und lassen Sie das Fest: Von hier aus können Sie herausfinden, die angeregten Elektronen näher an der Oberfläche zu haben sein wird die maximale Normalgeschwindigkeit zu derselben. Für diese Stelle P nützliche Arbeit auf das Elektron herauszukommen, werden Sie die kinetische Energie haben, ist gleich:

An dieser Stelle des Lade Π Elektron und das positive Potential des Körpers und derart, daß der Stromverlust gleichzeitig zu verhindern, kann man schreiben:

oder, mit den Symbolen üblichen

was wird

wobei e die Ladung eines Grammäquivalent eines einwertigen Ions und P das Potential dieser Menge.

Mit der Frage, also E = 9,6 · 10, 10 · Π stellen die Potenzial in Volt und Körper, wenn in einem Vakuum bestrahlt.

Nun platzieren P '= 0, ν = 1,03 · 10, β = 4,866 · 10, erhalten wird Π · 10 = 4,3 V: das Ergebnis Erfindung ist somit in Übereinstimmung sind, im Hinblick auf die Größenordnungen, mit der von Lenard gefunden.

Es kann geschlossen werden, dass:

  • die Energie der Elektronen unabhängig von der Intensität des austretenden Lichtemissions und zwar abhängig von der Frequenz ist;
  • Es wird die Anzahl der ausgehenden Elektronen von der Intensität der Strahlung ab.

Die mathematischen Ergebnisse ändern, wenn Sie die Hypothese abzulehnen

was wird

für die Photolumineszenz, die der umgekehrte Vorgang ist.

Und wenn die Formel korrekt ist, berichtet Π auf die kartesischen Achsen wird eine gerade Linie mit einer Steigung, unabhängig von der Substanz sein. 1916 Millikan führt experimentelle Überprüfung dieser Tatsache durch Messen des Potentials Anhalten und Feststellung, dass es sich um eine gerade Linie mit einer Steigung von ν h / und, wie erwartet.

Weil mit gebundenen Elektronen

Wenn ein Photon auf die Oberfläche des Metalls wird diese absorbiert, während, kann das Elektron auf die Oberfläche des Metalls. Interessanterweise nun aus erster Hand, was die Gründe für die ein Photon nicht durch ein freies Elektron absorbiert werden.

Für die Energie des Elektronenstrahls geschrieben werden kann:

die die Form des Impulses des Elektrons ergibt:

wobei h die Plancksche Konstante ist / 2π ist ω die pulsierende, gleich 2 · π für die Frequenz der einfallenden Welle.

Daneben muss auch berücksichtigen die Impulserhaltung:

pγ wo der Impuls des Photons.

Das System ist nicht kompatibel, da Sie zwei Gleichungen und eine Unbekannte haben. Unter der Annahme, aber in der Lage, jeden Fall zu lösen, müssen wir daran denken, dass:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Gleichsetzen der verschiedenen Gleichungen erhalten wird:

woher

dh das Elektron einen Impuls gleich dem Dreifachen der Masse; In der Tat kann die Erhaltung der Energie wie folgt geschrieben werden:

wo die letzte Energie wird so relativistischen geschrieben.

Immer mit relativistischen Gleichungen, Sie noch besser als der Prozess der Absorption der Strahlung sehen kann, ist mit einem Freie-Elektronen nicht möglich. Sie können die vier Impulsstart zu schreiben und am Ende

Für die Erhaltung der Gemälde-Puls und der Invarianz der ihre Regeln erzielt wird

dh die Gesamtenergie des Elektrons bleibt gleich: zu sagen, dass die Photonen verschwunden ist und das Elektron nicht beeinträchtigt war.

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