Fotoelektriskais efekts: elektroni no matērijas un gaismas

Fotoelektriskais efekts rodas, ja viela izstaro elektronus, pakļaujot to elektromagnētiskajam starojumam, piemēram, gaismas fotoniem. Šeit tuvāk apskatīsim, kāds ir fotoelektriskais efekts un kā tas darbojas.

Fotoelektriskā efekta pārskats

Fotoelektriskais efekts tiek pētīts daļēji, jo tas var būt ievads viļņu daļiņu divdabīgumā un kvantu mehānikā.

Kad virsma ir pakļauta pietiekami enerģētiskai elektromagnētiskai enerģijai, gaisma tiks absorbēta un elektroni tiks izstaroti. Dažādiem materiāliem sliekšņa frekvence ir atšķirīga. Tā ir redzamā gaisma sārmu metāliem, gandrīz ultravioletā gaisma citiem metāliem un ārkārtējs ultravioletais starojums nemetāļiem. Fotoelektriskais efekts rodas fotoniem, kuru enerģija ir no dažiem elektrodiem līdz vairāk nekā 1 MeV. Pie lielām fotonu enerģijām, kas salīdzināmas ar 511 keV elektronu atpūtas enerģiju, var rasties Komptona izkliede, pāru veidošanās var notikt pie enerģijas, kas pārsniedz 1,022 MeV.

Einšteins ierosināja, ka gaisma sastāv no kvantām, kuras mēs saucam par fotoniem. Viņš ierosināja, ka enerģija katrā gaismas kvantā ir vienāda ar frekvenci, kas reizināta ar konstanti (Planka konstante), un fotonam, kura frekvence pārsniedz noteiktu slieksni, būtu pietiekami daudz enerģijas, lai izstumtu vienu elektronu, radot fotoelektrisko efektu. Izrādās, ka, lai izskaidrotu fotoelektrisko efektu, gaisma nav jānosaka kvantitatīvi, taču dažas mācību grāmatas joprojām saka, ka fotoelektriskais efekts parāda gaismas daļiņu raksturu.

Einšteina vienādojumi fotoelektriskajam efektam

Einšteina fotoelektriskā efekta interpretācija rada vienādojumus, kas ir derīgi redzamajai un ultravioletajai gaismai:

fotona enerģija = enerģija, kas nepieciešama, lai noņemtu elektronu, + emitētā elektrona kinētiskā enerģija

hν = W + E

kur
h ir Planka konstante
ν ir negadījuma fotona biežums
W ir darba funkcija, kas ir minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai noņemtu elektronu no dotā metāla virsmas: hν₀
E ir izmesto elektronu maksimālā kinētiskā enerģija: 1/2 mv²
ν₀ ir fotoelektriskā efekta sliekšņa frekvence
m ir izstumtā elektrona pārējā masa
v ir izstumtā elektrona ātrums

Elektrons netiks izstarots, ja negadījuma fotona enerģija ir mazāka par darba funkciju.

Izmantojot Einšteina īpašo relativitātes teoriju, attiecības starp daļiņas enerģiju (E) un impulsu (p) ir

E = (pc)² + (mc²)^2(1/2)

kur m ir daļiņas atpūtas masa un c ir gaismas ātrums vakuumā.

Fotoelektriskā efekta galvenās iezīmes

• Fotoelektronu izstarošanas ātrums ir tieši proporcionāls krītošās gaismas intensitātei noteiktā krītošā starojuma un metāla frekvencē.
• Laiks starp fotoelektrona sastopamību un izstarošanu ir ļoti mazs, mazāks par 10^-9 otrais.
• Konkrētam metālam ir minimālā krītošā starojuma frekvence, zem kuras fotoelektriskais efekts nenotiks, tāpēc fotoelektronus nevar izstarot (sliekšņa frekvence).
• Virs sliekšņa frekvences izstarotā fotoelektrona maksimālā kinētiskā enerģija ir atkarīga no krītošā starojuma frekvences, bet nav atkarīga no tā intensitātes.
• Ja krītošā gaisma ir lineāri polarizēta, tad izstaroto elektronu virziena sadalījums sasniegs maksimumu polarizācijas virzienā (elektriskā lauka virzienā).

Fotoelektriskā efekta salīdzināšana ar citām mijiedarbībām

Gaismas un matērijas mijiedarbībā ir iespējami vairāki procesi, atkarībā no negadījuma starojuma enerģijas. Fotoelektrisko efektu rada zems enerģijas patēriņš. Vidējā enerģija var radīt Thomson izkliedi un Compton izkliedi. Augstas enerģijas spuldze var izraisīt pāra veidošanos.

Skatīties video: Efekti fotoelektrik (Jūnijs 2022).