Fotoelektriline efekt — määratlus, põhimõte ja ajalugu
Fotoelektriline efekt — määratlus, põhimõte ja ajalugu: kuidas footonid eritavad fotoelektrone, Einsteini panus ja eksperimendid, mis muutsid kvantfüüsika.
Fotoelektriline efekt on nähtus füüsikas. See efekt põhineb ideel, et elektromagnetiline kiirgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks. Kui fotoon tabab elektroni metallpinnal, võib elektron emiteeruda. Emissioonitud elektrone nimetatakse fotoelektronideks. Seda efekti nimetatakse ka Hertzi efektiks, sest selle avastas Heinrich Rudolf Hertz, kuid seda nimetust ei kasutata sageli. Fotoelektriline efekt on aidanud füüsikutel mõista valguse ja elektronide kvantloomust. Fotoelektrilise efekti tõttu töötati välja laine-osakese duaalsuse mõiste. Albert Einstein pakkus välja fotoelektrilise efekti seadused ja sai 1921. aastal Nobeli füüsikapreemia.
Määratlus ja põhiolemus
Fotoelektriline efekt tähendab seda, et valguse footonid võivad materjali pinnalt välja paisata elektrone. Et efekt tekiks, peab footoni energia olema võrdne või suurem materjali tööfunktsioonist (φ) — energiast, mis on vajalik elektroni vapustamiseks metallist välja.
Põhimõte ja matemaatiline seos
Einsteini selgitus 1905. aastal andis lihtsa ja täpse võrrandi, mis seob välja paisatud fotoelektroni maksimaalse kineetilise energia footoni sageduse kanssa:
Einsteini võrrand: KE_max = h f − φ
- KE_max — fotoelektroni maksimaalne kineetiline energia
- h — Plancki konstant (h ≈ 6,626×10^−34 J·s)
- f — valguse (footoni) sagedus
- φ — materjali tööfunktsioon (energia, mida tuleb anda elektronile, et ta vabaneks)
Praktiliselt mõõdetakse tihti peatamisvõimsust V_s: e V_s = KE_max, kus e on elementaarlaeng. Sellest järeldub peatamisvõimsuse ja sageduse lineaarne seos.
Tähtsamad eksperimentaalsed tähelepanekud
- Sageduse künnis: iga materjali puhul on olemas lävesagedus f_0, allpool ei välju elektone ükski footonieni kehvuse korral (hf < φ).
- Iseloom: fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia sõltub valguse sagedusest, mitte intensiivsusest.
- Intensiivsus mõjutab väljuvate elektronide arvu (sagedust konstantse hoides), aga mitte nende üksikute elektronide maksimaalset kiirust.
- Emissioon on peaaegu viivitamatu: elektroni väljumine toimub praktiliselt kohe footoni tabamise järel.
Olulised eksperimendid ja ajalugu
- Heinrich Hertz (1887) märkas väliseid efekte ultraviolettvalguse ja metallide juures, kuid ei seletanud nähtust kvantmehaaniliselt.
- Philipp Lenard tegi varajasi mõõtmisi, mis näitasid mõningaid efekti omadusi (nt sõltuvus materjalist ja nähtus oli kohev).
- Albert Einstein pakkus 1905. aastal teoreetilise selgituse, et valgus koosneb kvantidest (footonitest) ning kirjeldas efektile vastava võrrandi; selle eest anti talle 1921. a Nobeli preemia.
- Robert A. Millikan viis 1910.–1916. a läbi täpsed eksperimentaalsed kontrollid ja kinnitas Einsteini prognoose, mõõtes Plancki konstandi ja tööfunktsioone; Millikan sai 1923. a Nobeli preemia osaliselt nende tööde eest.
Rakendused
- Fotodetektorid ja valgusandurid (fotodioodid, fototransistorid)
- Päikesepaneelid ja fotoelektrilised elemendid (muundavad valguse elektrienergiaks)
- Fotokatoodid ja fotomultipliidid (nõrgavalguse mõõtmine)
- Fotoelektronespektroskoopia — pinna- ja elektronistruktuuri uuringud materjaliteaduses
Oluline tähendus teadusele
Fotoelektriline efekt kujutas endast olulist tõendit valguse kvantiseerituse kohta ja aitas kinnistada kvantteooria alustõdesid. See näitas, et valgusel on nii laineline kui ka osakeste loomus (laine-osakese duaalsus), ning muutis meie arusaama valguse ja aine vastastikmõjust.
Fotoelektriline efekt on seega nii fundamentaalne füüsikaline nähtus kui ka praktiline tööriist kaasaegses tehnoloogias ja teadusuuringutes.
Joonis, mis näitab, kuidas elektronid eralduvad metallplaadist
Mehhanism
Mitte iga elektromagnetiline laine ei põhjusta fotoelektrilist efekti, vaid ainult teatud sagedusega või kõrgema sagedusega kiirgused põhjustavad selle efekti. Minimaalset vajalikku sagedust nimetatakse "piirsageduseks" või "lävissageduseks". Piirsagedust kasutatakse tööfunktsiooni w {\displaystyle w} leidmiseks. 
, mis on energia hulk, mis hoiab elektroni metallpinnal. Tööfunktsioon on metalli omadus ja seda ei mõjuta sissetulev kiirgus. Kui metallipinnale langeb valgus, mille sagedus on suurem kui piirsagedus, siis emiteeritud elektronil on teatav kineetiline energia.
Fotoelektrilist efekti põhjustava footoni energia leitakse valemiga E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} 
kus h {\displaystyle h}
on Plancki konstant 6,626×10 −34J-s, f {\displaystyle f}
on elektromagnetlaine sagedus, K E {\displaystyle KE}
on fotoelektroni kineetiline energia ja w {\displaystyle w} on metalli tööfunktsioon. Kui fotoonil on palju energiat, võib toimuda Comptoni hajumine (~ tuhandeid eV) või paaride teke (~ miljoneid eV).
Valguse intensiivsus üksi ei põhjusta elektronide väljapaiskumist. Seda saab teha ainult valgus, mille sagedus on katkestussagedus või kõrgem. Valguse intensiivsuse suurendamine suurendab aga elektronide emiteerimist, kui sagedus on üle piirsageduse.
Ajalugu
Heinrich Hertz tegi 1887. aastal fotoelektrilise efekti esimese tähelepaneku. Ta teatas, et säde hüppab kergemini kahe laetud kera vahel, kui neid valgustatakse. Hertzi poolt täheldatud efekti tundmaõppimiseks tehti edasisi uuringuid. 1902. aastal näitas Philipp Lenard, et fotoelektroni kineetiline energia ei sõltu valguse intensiivsusest. Kuid alles 1905. aastal esitas Einstein teooria, mis seletas seda efekti täielikult. Selle teooria kohaselt on elektromagnetiline kiirgus rida osakesi, mida nimetatakse footoniteks. Fotoonid põrkuvad pinnal olevate elektronidega ja kiirgavad neid. See teooria läks vastuollu veendumusega, et elektromagnetiline kiirgus on laine. Seega ei tunnistatud seda esialgu õigeks. 1916. aastal avaldas Robert Millikan katsete tulemused, milles kasutati vaakumfototoru. Tema töö näitas, et Einsteini fotoelektriline võrrand seletab käitumist väga täpselt. Millikan ja teised teadlased olid siiski aeglasemad Einsteini valguskvantide teooriat aktsepteerima. Maxwelli elektromagnetilise kiirguse laineteooria ei suuda seletada fotoelektrilist efekti ja musta keha kiirgust. Neid seletab kvantmehaanika.
Küsimused ja vastused
K: Mis on fotoelektriline efekt?
V: Fotoelektriline efekt on nähtus füüsikas, kus elektromagnetiline kiirgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks, ja kui need tabavad elektroni metallpinnal, võib elektron emiteeruda, moodustades fotoelektronid.
K: Kes avastas fotoelektrilise efekti?
V: Heinrich Rudolf Hertz avastas fotoelektrilise efekti.
K: Miks nimetatakse fotoelektrilist efekti ka Hertzi efektiks?
V: Fotoelektrilist efekti nimetatakse ka Hertzi efektiks, sest selle avastas Heinrich Rudolf Hertz.
K: Mis on laine-osakeste duaalsus?
V: Laine-osakese duaalsus on fotoelektrilise efekti tõttu välja töötatud mõiste, mis aitas füüsikutel mõista valguse ja elektronide kvantloomust.
K: Kes pakkus välja fotoelektrilise efekti seadused?
V: Albert Einstein pakkus välja fotoelektrilise efekti seadused.
K: Milline oli fotoelektrilise efekti panus füüsikasse?
V: Fotoelektriline efekt aitas füüsikutel mõista valguse ja elektronide kvantloomust, arendades välja laine-osakese duaalsuse mõiste ning aitas kaasa fotoelektrilise efekti seadustele, mille pakkus välja Albert Einstein, kes sai 1921. aastal Nobeli füüsikapreemia.
Küsimus: Kuidas nimetatakse fotoelektrilise efekti käigus emiteeritud elektrone?
V: Fotoelektrilise efekti korral metallipinnalt kiirguvaid elektrone nimetatakse fotoelektronideks.
Otsige