27 kérdés
Formái a fotoelektromos hatás. Törvények külső PhotoEffect
Planck hipotézis, ragyogóan dönt, hogy kihívást jelent a termikus fekete test sugárzás megerősítette és továbbfejlesztette a magyarázata a fényelektromos jelenség - a jelenség, a felfedezés és a tanulmány, amely fontos szerepet játszott a fejlesztés kvantumelmélet. Különböztesse fotoelektromos hatás külső, belső és a szelep. Külső fotoelektromos hatás (PhotoEffect) nevezik az elektron emissziós anyagot elektromágneses sugárzás. A külső fotoelektromos hatás figyelhető meg a szilárd anyagok (fémek, félvezetők, dielektrikumok), valamint a gázok az egyes atomok és molekulák (fotoionizációs). A fotoelektromos hatás észlelése (1887) H. Hertz, a megfigyelt fokozása a mentesítési eljárás besugárzása útján ultraibolya sugár a szikraköz.
Az első alapvető tanulmány a fotoelektromos hatás által készített magyar tudós A. G. Stoletovym. Koncepció a tanulmány a fotoelektromos hatás ábrán látható. 289.
Két elektróda (katód K a fém és az anód A - a rendszert használt Stoletova acélháló) egy vákuumcső csatlakozik bata PGG úgyhogy potenciométeren keresztül R nem csak változtatni az értékét és előjelét a feszültség őket. A generált áram a katód világítjuk monokromatikus fényt (révén kvarcüveggel), mért milliammeter benne az áramkörben. Katód besugárzó fény különböző hullámhosszú, Stoletov találták a következő minták nem veszített jelentőségéből a mi idő: 1) biztosítja a leghatékonyabb intézkedés az ultraibolya sugárzás; 2) a fény hatására anyag elveszti csak negatív töltéseket; 3) aktuális, mivel fény hatására egyenesen arányos az intenzitása.
J. J. 1898 Thomson méré a konkrét felelős a kibocsátott részecskék által fény hatására (az eltérést az elektromos és mágneses mezők). Ezek a mérések azt mutatták, hogy az elektronok húzta hatása alatt a fény.
A belső fotoelektromos hatás - ez okozta elektromágneses sugárzás, elektron átmenetek a félvezető vagy dielektromos a kötött államok a rendelkezésre álló nélkül indulás kifelé. Ennek eredményeként, a hordozó sűrűsége a test belsejében növekszik, ami vozniknoveniyufotoprovodimosti (növelje a villamos vezetőképesség a félvezető vagy dielektromos ha világít), illetve, hogy a megjelenése EMF
Valve fotoelektromos hatás egy változata a belső fotoelektromos hatás, - a megjelenése az EMF (Photo-elektromotoros erő.) Megvilágítást közötti érintkezés két különböző félvezetők vagy félvezető és egy fém (hiányában egy külső elektromos mező). PhotoEffect szelep nyit, így az utat a közvetlen átalakítása napenergia elektromos árammá.
Ábra. 289 látható a kísérleti felállítás tanulmányozására voltamper jellemzők sósav fotoelektromos - függését a fotoáram / által alkotott áramlását emittált elektronok a katód hatása alatt a fény, U feszültség az elektródák között. Egy ilyen függőség megfelelő két különböző megvilágítások E, a katód (a gyakorisága a fény ugyanaz mindkét esetben), ábrán látható. 290. Mivel az U photocurrent fokozatosan emelkedik, azaz a. E. Egyre több fotoelektronok eléri az anód. A kíméletes jellegét a görbék azt mutatják, hogy a emittált elektronok a katód különböző sebességgel. Az áramerősség maximális értékének Inas - telítési fotoáram - U érték így meghatározott, amikor is az emittált elektronok a katód éri el az anód:
ahol n - az elektronok száma bocsát ki az 1 katód.
A áram-feszültség jellemzők, ebből következik, hogy a U = 0 fényáram eltűnik. Következésképpen, elektronok kilökődik a katód által fény, van egy bizonyos kezdeti sebessége v, és így különbözik a nulla kinetikus energia, és elérheti az anód nélkül egy külső területen. Ahhoz, hogy a fotoelektromos volt egyenlő nullával, akkor kell alkalmazni a fékező feszültség U0. Amikor U = U0 egyike sem elektronok, amelyek még akkor is, ha eltérnénk a katód maximális sebesség vmax. nem lehet legyőzni a visszatartó mező, és eléri az anód. ezért
t. e. a késleltetési mérőfeszültség U0. Megadhatjuk a maximális értékeket a sebesség és kinetikus energiája fotoelektronokat.
Amikor tanulmányozása az áram-feszültség jellemzőit a különböző anyagok (felületi simaság fontos, így a méréseket a vákuum és a friss felületek) eltérő frekvenciákon a sugárzást a katód és egy eltérő besugárzott felületi katód és összefoglaljuk a kapott adatok következő három törvények a külső fotoelektromos hatás hoztak létre.
I. törvény Stoletov. egy fix frekvencia a beeső fény a fotoelektronok száma felszabadult a katód egységnyi idő arányos a fényintenzitás (teljesítmény telítési fotoáram arányos a besugárzott A katód).
II. A maximális kezdeti sebesség (a maximális kezdeti kinetikus energia) fotoelektronok nem függ az intenzitást a beeső fény, és határozza meg csak a frekvencia v.
III. Minden egyes anyag esetében létezik fotoelektromos küszöbértéket, t. E. Minimális frekvencia V0 fény (attól függően, hogy a kémiai anyag természetétől és állapotától felületén), amely alatt a fényelektromos hatás lehetetlen.
A kvalitatív magyarázata a fotoelektromos hatás a hullám szempontból, első pillantásra, nem lett volna nehéz. Sőt, hatása alatt a területen a fényhullám a fém jelennek kényszerrezgés elektronok, amelyeknek amplitúdóját (például rezonancia) elegendő lehet annak biztosítására, hogy az elektronok a fém; majd megfigyelték a fotoelektromos hatás. A kinetikus energia elektronok távozó a fém kellene intenzitásától függ a beeső fény, mivel nőtt a utolsó elektron, hogy át több energiát. Ez a következtetés azonban ellentétes a törvény a fotoelektromos hatás II. Mivel szerint a hullám elmélet, az energia a továbbított elektronok arányos a fény intenzitása, a fény bármilyen frekvenciájú, de elegendően nagy intenzitású kellene húzni elektronokat a fém; Más szóval, a fotoelektromos értékhatár nem lehet ellentétes IIIzakonu fotoelektromos hatás. Ezen túlmenően, a hullám elmélet nem tudta megmagyarázni a hiányát tehetetlensége a fényelektromos hatás által létrehozott kísérletek. Így a fotoelektromos hatás megmagyarázhatatlan szempontjából a hullám elmélet a fény.
Einstein egyenletet a külső PhotoEffect. Kísérleti igazolás a kvantum fény természete
Albert Einstein 1905-ben kimutatta, hogy a fotoelektromos hatás és a törvények is magyarázható alapján javasolt kvantumelmélet, a fotoelektromos hatás. Szerint a Einstein gyakorisága fény v kibocsátott nem csak, ahogy azt Plank (lásd. § 200), hanem kiterjed a térben ipogloschaetsya anyag egyedi adagokban (fotonok), amelynek energiája 0 = hv. Így a fényeloszlás nem tekinthető folytonos hullám folyamatot, és az áramot a térben lokalizált diszkrét fénykvantumok, mozgó a terjedési sebesség a fény vákuumban. elektromágneses sugárzás kvantumokat nevezzük fotonok.
Einstein szerint, minden egyes foton elnyelődik csak egy elektront. Ezért a száma fotoelektrono szakadt arányosnak kell lennie a fény intenzitása (I fotoelektromos törvény). Noninertially fotoelektromos hatás annak a ténynek köszönhető, hogy az energia átvitelét az ütközés egy foton egy elektron szinte azonnali.
a beeső fotonenergia végrehajtásához használt elektron kilépési munkáját a fém egy (lásd. § 104) és egy kinetikus energia a kibocsátott fotoelektron mv 2 max / 2. A törvény szerint az energiamegmaradás,
Egyenlet (203,1) az Einstein egyenlet külső PhotoEffect.
Einstein egyenlet tudja magyarázni a II és III törvények a fotoelektromos hatás. Tól (203,1) következik közvetlenül, hogy a maximális kinetikus energia fotoelektrono lineárisan növekszik a frekvencia a beeső sugárzás és nem függ annak intenzitása (fotonszám), mert egyikük sem v a fény intenzitása nem függ (II törvény a fotoelektromos hatás). Mivel a frekvencia csökken, a kinetikus energia a fotoelektron nyaláb csökken (egy adott fém A = const), hogy amikor egy kellően kis frekvencia v = V0 kinetikus energiája fotoelektron egyenlő nullával, és leállítja a fényelektromos hatás (IIIzakon fotoelektromos hatás). A fentiek értelmében, a (203,1), hogy a
és van egy fotoelektromos küszöbértéket egy adott fém. Ez csak attól függ az elektron kilépési munka, azaz a. E. A kémiai anyag jellegét és állapotát a felületét.
Az expressziós (203,1) lehet írni (202.1) és (203,2), formájában
Einstein egyenlet megerősítette kísérletei Millikan. A berendezésre (1916) a fémfelület vetjük alá tisztítás vákuumban. A függőség a maximális kinetikus energia fotoelektrono (megváltozott késleltető feszültség U0 (lásd. (202,1)) a frekvencia v és határozzuk Planck-állandó. 1926-ban a magyar fizikus P. I. Lukirsky (1894-1954) és az SS Prilezhaev kutatási PhotoEffect alkalmazott módszer vákuum gömbölyű kondenzátorral anód a telepítési szélesztettük fal egy üveg szférikus ballon, és a katód - .. labdát (R 1,5 cm) a vizsgált fém közepébe helyeztük a gömb egyébként áramkör nem alapvetően eltér a leírt Ábra. 289. Ez a forma az elektródák nőtt a lejtőn a áram-feszültség jellemzőit, és így pontosabban meghatározzuk a késleltetési feszültség U0 (és így h). Znachenieh ezekből a kísérletekből kapott összhangban vannak talált értékeket más módszerek (a sugárzás fekete test (§ 200) és rövidhullámú határ a folyamatos röntgen spektrum (§ 299).) Mindez azt bizonyítja a helyességét Einstein egyenletei, és ugyanabban az időben, és az ő kvantumelmélet, a fotoelektromos hatás.
Ha a fény intenzitása nagyon nagy (lézersugarak;. Lásd a § 233), lehetőség van arra, multifoton (nemlineáris) a fényelektromos hatás, amelyben az elektron által kibocsátott a fémhulladék nem képes egyidejűleg az energia egyik, és a fotonok a N (N = 27) . Einstein egyenlete multifotonos fotoelektromos hatás
A kísérletet egy fókuszált lézersugár fotonsűrűség igen nagy, így az elektron képes felvenni nem csak egy, hanem néhány fotont. Az elektron lehet megszerezni a szükséges energiát egy olyan anyag kibocsátását akár fény a frekvenciát a vörös él - küszöb-foton fotoelektromos hatás. Ennek eredményeként, a piros határ irányába van eltolva, a hosszabb hullámhosszak.
Einstein ötlete a fény terjedési formájában egy patak egyedi fotonok és a kvantum kölcsönhatás természetének az elektromágneses sugárzás és az anyag megerősítette 1922-ben kísérletekben A. F. loffe és NI Dobronravov. Az elektromos mező síkkondenzátor feltöltött egyensúlyba hozott darabka bizmut. Az alsó lemez a kondenzátor készült nagyon vékony alumínium fólia, amely egyidejűleg a miniatűr röntgencső anód. Az anód bombázzuk gyorsított 12 kV fotoelektronok által kibocsátott a katód az intézkedés alapján ultraibolya sugárzás. A megvilágítás a katód úgy állítjuk be, gyenge, hogy Ebből 1 csak 1000 burst fotoelektronok, és így az x-ray impulzusok volt 1000 1 s. A tapasztalat azt mutatja, hogy átlagosan minden 30 perc kiegyensúlyozott porszem az egyensúly, t. E. X-sugarak fotoelektron felszabadítjuk.
Ha X-sugarak terjedt el a gömb alakú hullámok, mint az egyéni fotonok, minden egyes röntgensugár-impulzus lenne szemcséktől adott egy nagyon kis része az energia, amelyet fel lehetne elosztott, viszont között óriási elektronok száma foglalt porszem. Ezért, amikor egy ilyen mechanizmus nehéz elképzelni, hogy az egyik az elektronok ilyen rövid ideig, mint 30 perc, felhalmozódhat elegendő energiát leküzdeni a kilépési munkája a porszemcséket. Éppen ellenkezőleg, abból a szempontból a korpuszkuláris elmélet lehetséges. Tehát, ha a röntgensugárzás oszlik mint egy patak diszkrét fotonok, az elektron kiesett a porrészecskék csak akkor, ha egy foton üt. Elemi számítás a kiválasztott feltételekkel azt mutatja, hogy átlagosan egy foton ítélik porszem a 1,810 6. Mivel 1 B-1000 emittált fotonok, az átlagos lint kap egy foton 30 perc, ami összhangban van a kísérleti eredményeket .
Ha a fény egy patak fotonok, minden egyes foton belépő a felvevő készülék (a szem, a fénysorompó) kell elindítsa a másiktól függetlenül fotonok. Ez azt is jelenti, hogy a regisztrációs gyenge fény patakok be kell tartani az intenzitásuk ingadozások. Ezek az ingadozások gyengék látható fény áramlik a ténylegesen megfigyelt S. I. Vavilovym. Megfigyelések hatást szemrevételezéssel. Eye alkalmazkodott a sötétben, egy viszonylag éles látásérzet küszöböt, t. E. érzékeli a fény, amelynek intenzitása nem kevesebb, mint egy bizonyos küszöbértéket. A fény = 525 nm-en, a küszöb látásérzet- megfelelő különböző emberek mintegy 100-400 fotonok esik a retina 1 s. S. I. Vavilov megfigyelt periodikusan ismétlődő felvillanó fény azonos időtartamú. A csökkenés a fényáram, néhány flash már nem a szem által érzékelt, amely gyengébb, mint a fényáram, annál nagyobb a rések kitörések. Ez annak köszönhető, hogy intenzitása ingadozása a fény, azaz. E. A fotonok száma által kifejtett véletlen kevésbé okoz, mint a küszöbérték. Így tapasztalat Vavilov- meg egyértelmű megerősítést kvantum fény természete.