Ефектот на фотографијата - интеракција помеѓу светлината и материјата

Ефектот на фотографијата беше откриен од Хајнрих Херц во 1887 година и понатаму го истражуваа Вилхелм Халвахс, еден од неговите ученици и Филип Ленард.

Точното толкување на фотоефектот, само го наследи Алберт Ајнштајн во едно од неговите дела од 1905 година. Првенствено за тоа ја доби Нобеловата награда за физика во 1921 година.

Обид:

Изшкуркана цинк-плоча, која е на електроскоп, е негативно наелектризирана и потоа се озрачува со светло на ламба од пареа од жива.

Може да се забележи промена во полнежот од девијацијата на покажувачот на електроскопот.

Набудување:

Кога ќе се озрачи плочата на цинк, девијацијата на покажувачот на електроскопот се намалува - така цинк-плочката се испушта:

Овој ефект се јавува сепак Не на кога

цинк-плочката беше позитивно наполнета
помеѓу ламбата и плочата на цинк има стакло
се користи друг извор на светлина (на пр. ламба за натриумска пареа, ламба за блескаво дрво итн.)

Објаснување:

Кога светлината од ламбата за пареа на жива е озрачена, вишокот електрони се ослободуваат од површината на цинк-плочката.

Дека овој ефект не се јавува со други извори на светлина или со стаклена обвивка помеѓу ламбата и цинк-плочата, која ја апсорбира УВ-светлината од ламбата од жива, покажува:

Само УВ-светлината со краток бран е во состојба да ослободи електрони од цинк-плочата.

Фото-ефект

Ефектот дека светлината може да ослободи електрони од површината на цврстите материи е познат како Фото-ефект

(или откако откривачот исто така реагира ефект на восок).

Електроните ослободени од светлината се нарекуваат Фотоелектрони.

Работата за замена

За да се ослободат електрони од цинк-плочата, требало да се работи на нив работа што може да дојде само од светлината.

Работата што е неопходна за ослободување на електрони е позната како Замена работа WA.

Во овој случај, потребната работа за одвојување очигледно може да се изврши само со кратка бранова УВ светлина, но не и со видлива светлина - без оглед на тоа колку е голем интензитетот на видливата светлина.

Енергетскиот трансфер на светлината до електроните мора да се разликува од видливата светлина во случај на УВ светлина.

Контрадикторност кон теоријата на бранови

Фактот дека видливата светлина не е во состојба да ја пренесе потребната енергија на електроните, дури и при многу висок интензитет, е во спротивност со теоријата на бранови, бидејќи со поголем интензитет на светлина, повеќе енергија исто така треба да се пренесе на електроните.

Врска помеѓу интензитетот и енергијата на електромагнетните бранови

На Интензитет I. електромагнетното зрачење се дефинира како количник на Енергија Е., во едно Временски интервал Δt на Област А. и производот на оваа област А и времето Δt:

Следното се применува:

Значи тоа е енергија електромагнетно зрачење пропорционален на интензитетот:

Значи, се поставува прашањето:

Зошто не може секој вид светло со висок интензитет да ослободи електрони од цинк-плочата?

Со цел подетално да се испитаат својствата на фотоелектроните ослободени од светлината, тие се фаќаат со метална решетка (спирална електрода):

Може да се открие напон помеѓу електродите. Електроните стигнуваат до металната мрежа, која е негативно наелектризирана.

Објаснување/заклучок:

Кога фотоелектроните ќе дојдат до решетката, тие мора да имаат дополнителна кинетичка енергија откако ќе бидат ослободени. Како и работата за замена, ова може да дојде само од светлината.

Тек на фотографии

Ако се примени висок напон од неколку kV помеѓу цинк-плочката и металната мрежа, ослободените електрони се привлечени од металната мрежа и може да се снимат како струја со помош на мерен засилувач.

Струјата создадена од ослободените електрони (фотоелектрони) е позната како Тек на фотографии.

Ако интензитетот на светлината е зголемен, фото-струјата се зголемува - повеќе електрони стигнуваат до мрежата.

Фотоцелијата

Фотоелемент е сличен на претходниот експеримент:

Фотоцелија се состои од метален слој (претежно се користи цезиум), Фотокатода, од кои се ослободуваат електрони кога се изложени на светлина.

Катодниот материјал има слабо врзани електрони, кои - за разлика од цинк-плочата, исто така може да се ослободат со видлива светлина.

Метален прстен, т.н. Прстен анода.

И двајцата се во вакуумска цевка, што им олеснува на електроните да избегаат. Ова значи дека повеќе не е потребно негативно да се полни фотокатодата.

Ако фотоелементот е озрачен со светлина, електроните се ослободуваат од фотокатодата и стигнуваат до прстенестата анода.

Ако анодата и катодата не се поврзани едни со други, со текот на времето ќе има недостаток на електрони на катодата, додека вишок на електрони ќе се развијат на прстенестата анода.

Се гради а Напон помеѓу анодата и катодата вклучено: Анодниот прстен се полни негативно, катодата позитивно.

Од што зависи напонот помеѓу анодата и катодата?

Секој ослободен електрон се движи кон сè повеќе негативно наелектризиран аноден прстен. Значи, постои сè посилно електрично поле кое ги забавува електроните. Ако полето е премногу силно, т.е. напонот е преголем, фотоелектроните повеќе не можат да ја достигнат анодата - напонот тогаш повеќе не се зголемува.

Енергијата што им е потребна на електроните за да го надминат електричното поле помеѓу катодата и анодата и на тој начин да ја достигнат анодата одговара на енергијата на електричното поле:

Кинетичката енергија на електроните мора барем да одговара на оваа енергија за да се достигне анодата.

Колку е поголема кинетичката енергија на најбрзите фотоелектрони, толку е поголем напонот.

Ако напонот не се зголеми понатаму, тоа значи дека ниту еден електрон нема доволно енергија за да стигне до анодата.

На најбрзи фотоелектрони тогаш имајте ја точно енергијата

Белешка: Не сите ослободени електрони имаат иста енергија - оваа енергија одговара на енергијата на најбрзите електрони.

Со горенаведената врска, лесно може да се заклучи енергијата на најбрзите фотоелектрони од напонот.

Ако го повторите експериментот со различни светли бои, излегува:

Напонот зависи од светлината на бојата:

Колку е поголема фреквенцијата на употребената светлина, толку е поголем напонот.

Оваа врска го потврдува знаењето од претходните експерименти:

Светлината со помали бранови должини може очигледно да пренесе повеќе енергија на електроните отколку светлината со подолги бранови должини - без оглед на интензитетот на светлината!

Колку енергија примаат електроните од светлината и од што зависи тоа?

За да се одреди енергијата на најбрзите фотоелектони, треба да се измери напонот што се воспоставува кога фотоелектричната ќелија е изложена на светлина. Тогаш енергијата на фотоелектроните може да се пресмета со горенаведената врска.

Сепак, постои проблем со одредување на овој напон:

Дури и ако волтметар има голем внатрешен отпор, некои електрони сè уште течат низ волтметарот - а со тоа и од анодата до катодата. Но, ова го намалува напонот што треба да се измери.

Бидејќи бројот на електрони е ограничен (фотонапонот е многу мал; тој е во опсег од неколку nA), ние би влијаеле значително на количината што треба да се измери преку самиот процес на мерење.

Поради оваа причина, се користи друг метод за одредување на максималната енергија на фотоелектроните, т.н. Спротивен метод на поле.