Gondoljuk át, hogyan vezetett Heinrich Hertz a fotoelektromos hatás felfedezéséhez Albert Einstein fényelméletéhez A fotoelektromos hatás magyarázata. Encyclopædia Britannica, Inc. Tekintse meg a cikk összes videóját
fotoelektromos hatás , jelenség, amikor az elektromosan mágneses sugárzás elnyelésével elektromosan töltött részecskék szabadulnak fel az anyagból vagy annak belsejében. A hatást gyakran úgy definiálják, hogy elektronok kilökődnek egy fémlemezről, amikor fény esik rá. Tágabb meghatározás szerint a sugárzó energia lehet infravörös , látható vagy ultraibolya fény, Röntgen vagy gammasugarak; az anyag lehet szilárd, folyékony vagy gáz; és a felszabadult részecskék lehetnek ionok (elektromosan töltött atomok vagy molekulák), valamint elektronok. A jelenség alapvetően jelentős volt a modern fejlődésében fizika a fény természetével kapcsolatban felvetett rejtélyes kérdések miatt - a részecskék és a hullámos viselkedés között -, amelyeket Albert Einstein végül 1905-ben megoldott. A hatás továbbra is fontos a anyagtudomány az asztrofizikához, valamint számos hasznos eszköz alapját képezi.
A fotoelektromos hatást 1887-ben fedezte fel a német fizikus Heinrich Rudolf Hertz . A rádióhullámokon végzett munkával kapcsolatban Hertz megfigyelte, hogy amikor két ultraibolya fény ragyog két fém elektródra, amelyeken feszültség van, a fény megváltoztatja azt a feszültséget, amelynél a szikrázás történik. Ez a kapcsolat a fény és az elektromosság között (tehát fotoelektromos ) 1902-ben egy másik német fizikus, Philipp Lenard tisztázta. Kimutatta, hogy az elektromos töltésű részecskék felszabadulnak a fémfelületről, amikor az van megvilágítva és hogy ezek a részecskék azonosak az elektronokkal, amelyeket a brit fizikus felfedezett Joseph John Thomson 1897-ben.
További kutatások kimutatták, hogy a fotoelektromos hatás a fény és az anyag közötti kölcsönhatást jelenti, amelyet a klasszikus fizika nem magyarázhat meg, amely a fényt elektromágneses hullámként írja le. Az egyik megmagyarázhatatlan megfigyelés az volt, hogy a felszabadult elektronok maximális mozgási energiája nem változott a fény intenzitásától, ahogy azt a hullámelmélet elvárta, hanem arányos volt a fény frekvenciájával szemben. Amit a fényintenzitás meghatározott, az a fémből felszabaduló elektronok száma (an elektromos áram ). Egy másik rejtélyes megfigyelés az volt, hogy gyakorlatilag nem volt időeltolódás a sugárzás érkezése és az elektronok kibocsátása között.
fotoelektromos effektus: Einstein Nobel-díjas felfedezése, Brian Greene a fotoelektromos effektus kulcsfontosságú képletét tárgyalja, amely betekintést nyújtott a kvantumforradalom elindításába. Ez a videó az ő egyik epizódja Napi egyenlet sorozat. World Science Festival (A Britannica Publishing Partner) Tekintse meg a cikk összes videóját
Ezeknek a váratlan magatartásoknak a figyelembevétele arra késztette Albert Einsteint, hogy 1905-ben megfogalmazzon egy új korpuszkuláris fényelméletet, amelyben minden egyes fényrészecske vagy foton fix mennyiségű energiát vagy kvantumot tartalmaz, amely a fény frekvenciájától függ. Különösen a foton hordoz energiát IS egyenlő h f , hol f a fény frekvenciája és h az univerzális állandó, amelyet Max Planck német fizikus 1900-ban származtatott a hullámhossz a fekete test sugárzás eloszlása - vagyis a forró testből kibocsátott elektromágneses sugárzás. A kapcsolat írható ekvivalens formában is IS = h c / λ, ahol c a fénysebesség és λ a hullámhossza, ami azt mutatja, hogy a foton energiája fordítottan arányos a hullámhosszával.
Einstein feltételezte, hogy egy foton behatol az anyagba, és energiáját átviszi egy elektronba. Amint az elektron nagy sebességgel haladt keresztül a fémben, és végül kibújt az anyagból, annak mozgási energiája csökken egy olyan amount mennyiséggel, amelyet munkafunkciónak nevezünk (hasonlóan az elektronikus munkafüggvényhez), amely az energiát jelenti, amely az elektron elhagyásához szükséges. fém. Által energiamegmaradás , ez az érvelés vezette Einsteint a fotoelektromos egyenlethez IS nak nek = h f - ϕ, hol IS nak nek a kidobott elektron maximális mozgási energiája.
Noha Einstein modellje egy megvilágított lemez elektronkibocsátását írta le, fotonja hipotézis elég radikális volt ahhoz, hogy mindaddig nem fogadták el, amíg további kísérleti igazolást nem kapott. További megerősítés történt 1916-ban, amikor az amerikai fizikus rendkívül pontos méréseket végzett Robert Millikan ellenőrizte Einstein egyenletét, és nagy pontossággal megmutatta, hogy Einstein állandójának értéke h ugyanaz volt, mint Planck állandója . Einstein 1921-ben végül fizikai Nobel-díjat kapott a fotoelektromos hatás magyarázatáért.
1922-ben az amerikai fizikus, Arthur Compton megmérte a röntgensugarak hullámhosszának változását, miután kölcsönhatásba léptek a szabad elektronokkal, és megmutatta, hogy a változás kiszámítható a röntgensugarak fotonokkal történő kezelésével. Compton ezért a munkáért megkapta az 1927-es fizikai Nobel-díjat. 1931-ben a brit matematikus, Ralph Howard Fowler kibővítette a fotoelektromos emisszió megértését azáltal, hogy megállapította a fotoelektromos áram és a fémhőmérséklet kapcsolatát. További erőfeszítések azt mutatták, hogy az elektromágneses sugárzás elektronokat is bocsáthat ki szigetelők , amelyek nem vezetnek áramot, és félvezetőkben különféle szigetelők, amelyek csak bizonyos körülmények között vezetik az áramot.
A kvantummechanika szerint az atomokhoz kötött elektronok meghatározott elektronikus konfigurációkban fordulnak elő. A legmagasabb energia-konfigurációt (vagy energia-sávot), amelyet az elektronok általában elfoglalnak egy adott anyagra, vegyérték-sávnak nevezzük, és a töltöttség mértéke nagymértékben meghatározza az anyag elektromos vezetőképességét. Egy tipikusban sofőr (fém), a vegyérték sáv körülbelül fele tele van elektronokkal, amelyek áramot hordozva könnyen atomról atomra mozognak. Egy jóban szigetelő , például üveg vagy gumi, a vegyérték sáv meg van töltve, és ezek a vegyérték elektronok nagyon csekély mozgékonyságúak. A szigetelőkhöz hasonlóan a félvezetők vegyérték-sávjai általában meg vannak töltve, de a szigetelőktől eltérően nagyon kevés energiára van szükség ahhoz, hogy egy elektron gerjesztése a vegyérték-sávból a következő megengedett energia-sávba - vezetőképességi sávnak nevezhető -, mert bármelyik elektron izgatja ezt a magasabb energiát szint viszonylag szabad. Például a szilícium sávszélessége 1,12 eV (elektronvolt), a gallium-arsenidé pedig 1,42 eV. Ez az infravörös és látható fény fotonjai által hordozott energia tartományában van, ami emelheti a félvezetők elektronjait a vezetősávba. (Összehasonlításképpen: egy közönséges elemlámpa-elem 1,5 eV-t kölcsönöz minden azon áthaladó elektronnak. Sokkal energikusabb sugárzásra van szükség a szigetelők sávszélességének leküzdéséhez.) A félvezető anyag konfigurációjától függően ez a sugárzás fokozza elektromos vezetőképességét az alkalmazott feszültség által már kiváltott elektromos áram hozzáadásával ( lát fotovezetés), vagy bármilyen külső feszültségforrástól függetlenül képes feszültséget létrehozni ( lát fotovoltaikus hatás).
A fényvezetőképesség a fény által felszabadított elektronokból és a pozitív töltés áramlásából is adódik. A vezetési sávra emelt elektronok megfelelnek a vegyérték-sávban hiányzó negatív töltéseknek, az úgynevezett furatoknak. Az elektronok és a furatok is növelik az áramáramot, amikor a félvezető meg van világítva.
A fotovoltaikus hatásban feszültség keletkezik, amikor a beeső fény által felszabadított elektronokat elválasztják a keletkező furatoktól, ami különbséget eredményez az elektromos potenciálban. Ez általában az a használatával történik o - n kereszteződés, nem pedig tiszta félvezető. A o - n közötti csomópont a csomópontban fordul elő o -típus (pozitív) és n -típusú (negatív) félvezetők. Ezeket az ellentétes régiókat különböző szennyeződések hozzáadásával hozzák létre, hogy felesleges elektronokat termeljenek ( n típusú) vagy a felesleges lyukak ( o -típus). A megvilágítás elektronokat és lyukakat szabadít fel a csomópont ellentétes oldalán, hogy a kereszteződésen feszültséget hozzon létre, amely áramot képes meghajtani, ezáltal a fényt elektromos energiává alakítva.
a kilencvenöt tézis számos reformra szólított fel, beleértve a következőket:
Egyéb fotoelektromos hatásokat a magasabb frekvenciájú sugárzás okoz, mint pl Röntgen és gammasugarak. Ezek a nagyobb energiájú fotonok akár az atommag közelében is felszabadíthatják az elektronokat, ahol szorosan meg vannak kötve. Ha egy ilyen belső elektron kilökődik, akkor egy nagyobb energiájú külső elektron gyorsan lecsökken, hogy kitöltse az üres helyet. Az energiafelesleg egy vagy több további elektron emisszióját eredményezi az atomból, amelyet Auger-effektusnak nevezünk.
Magas fotonenergiáknál látható a Compton-effektus is, amely akkor jelentkezik, amikor egy Röntgen vagy a gammasugár foton ütközik egy elektronnal. A hatás ugyanazokkal az elvekkel elemezhető, amelyek a két test közötti ütközést szabályozzák, ideértve a lendület megőrzését is. A foton energiát veszít az elektronhoz, ez a csökkenés megfelel a megnövekedett foton hullámhossznak Einstein kapcsolata szerint IS = h c / λ. Amikor az ütközés olyan, hogy az elektron és a foton egymással derékszöget zár be, a foton hullámhossza a Compton hullámhosszának nevezett jellegzetes mennyiséggel, 2,43 × 10 nő−12méter.
Copyright © Minden Jog Fenntartva | asayamind.com