Overvej hvordan Heinrich Hertz opdagelse af den fotoelektriske effekt førte til Albert Einsteins teori om lys Forklaring af den fotoelektriske effekt. Encyclopædia Britannica, Inc. Se alle videoer til denne artikel
fotoelektrisk effekt , fænomen, hvor elektrisk ladede partikler frigøres fra eller inden i et materiale, når det absorberer elektromagnetisk stråling. Effekten defineres ofte som udstødning af elektroner fra en metalplade, når der falder lys på den. I en bredere definition kan den strålende energi være infrarød , synligt eller ultraviolet lys, Røntgenstråler eller gammastråler; materialet kan være et fast stof, en væske eller en gas; og de frigivne partikler kan være ioner (elektrisk ladede atomer eller molekyler) såvel som elektroner. Fænomenet var fundamentalt vigtigt i udviklingen af moderne fysik på grund af de forvirrende spørgsmål, det rejste om lysets natur - partikel versus bølgelignende opførsel - som endelig blev løst af Albert Einstein i 1905. Effekten er fortsat vigtig for forskning i områder fra materialevidenskab til astrofysik såvel som at danne grundlaget for en række nyttige anordninger.
Den fotoelektriske effekt blev opdaget i 1887 af den tyske fysiker Heinrich Rudolf Hertz . I forbindelse med arbejde på radiobølger observerede Hertz, at når ultraviolet lys skinner på to metalelektroder med en spænding på tværs af dem, ændrer lyset den spænding, hvormed gnistning finder sted. Denne sammenhæng mellem lys og elektricitet (dermed fotoelektrisk ) blev afklaret i 1902 af en anden tysk fysiker, Philipp Lenard. Han demonstrerede, at elektrisk ladede partikler frigøres fra en metaloverflade, når den er oplyst og at disse partikler er identiske med elektroner, som var blevet opdaget af den britiske fysiker Joseph John Thomson i 1897.
Yderligere forskning viste, at den fotoelektriske effekt repræsenterer en interaktion mellem lys og stof, der ikke kan forklares ved klassisk fysik, der beskriver lys som en elektromagnetisk bølge. En uforklarlig observation var, at den maksimale kinetiske energi af de frigivne elektroner ikke varierede med lysets intensitet, som forventet ifølge bølgeteorien, men i stedet var proportional med lysets frekvens. Hvad lysintensiteten bestemt var antallet af elektroner frigivet fra metallet (målt som en elektrisk strøm ). En anden gådefuld observation var, at der næsten ikke var nogen tidsforsinkelse mellem ankomsten af stråling og udsendelsen af elektroner.
fotoelektrisk effekt: Einsteins nobelprisvindende opdagelse Brian Greene diskuterer nøgleformlen i den fotoelektriske effekt, en indsigt, der hjalp med at starte kvanterevolutionen. Denne video er en episode i hans Daglig ligning serie. World Science Festival (en Britannica Publishing Partner) Se alle videoer til denne artikel
Overvejelse af denne uventede opførsel førte til, at Albert Einstein i 1905 formulerede en ny korpuskulær teori om lys, hvor hver partikel af lys eller foton indeholder en fast mængde energi eller kvante, der afhænger af lysets frekvens. Især bærer en foton en energi ER svarende til h f , hvor f er frekvensen af lyset og h er den universelle konstant, som den tyske fysiker Max Planck udledte i 1900 for at forklare bølgelængde distribution af sortkropsstråling - det vil sige den elektromagnetiske stråling, der udsendes fra et varmt legeme. Forholdet kan også skrives i den tilsvarende form ER = h c / λ, hvor c er lysets hastighed, og λ er dens bølgelængde, der viser, at en fotones energi er omvendt proportional med dens bølgelængde.
Einstein antog, at en foton ville trænge ind i materialet og overføre dets energi til en elektron. Da elektronen bevægede sig gennem metallet i høj hastighed og endelig kom ud af materialet, ville dets kinetiske energi formindskes med en mængde ϕ kaldet arbejdsfunktionen (svarende til den elektroniske arbejdsfunktion), som repræsenterer den energi, der kræves for at elektronen skal undslippe metal. Ved bevarelse af energi , førte denne begrundelse Einstein til den fotoelektriske ligning ER til = h f - ϕ, hvor ER til er den maksimale kinetiske energi af den udkastede elektron.
Selvom Einsteins model beskrev udsendelsen af elektroner fra en oplyst plade, hans foton hypotese var tilstrækkelig radikal til, at den ikke blev accepteret universelt, før den fik yderligere eksperimentel verifikation. Yderligere bekræftelse fandt sted i 1916, da ekstrem nøjagtige målinger af den amerikanske fysiker Robert Millikan verificerede Einsteins ligning og viste med høj præcision, at værdien af Einsteins konstant h var den samme som Plancks konstant . Einstein blev endelig tildelt Nobelprisen for fysik i 1921 for at forklare den fotoelektriske effekt.
I 1922 målte den amerikanske fysiker Arthur Compton ændringen i bølgelængde for røntgenstråler, efter at de interagerede med frie elektroner, og han viste, at ændringen kunne beregnes ved at behandle røntgenstråler som lavet af fotoner. Compton modtog 1927 Nobelprisen for fysik for dette arbejde. I 1931 udvidede den britiske matematiker Ralph Howard Fowler forståelsen af fotoelektrisk emission ved at etablere sammenhængen mellem fotoelektrisk strøm og temperatur i metaller. Yderligere indsats viste, at elektromagnetisk stråling også kunne udsende elektroner i isolatorer , som ikke leder elektricitet, og i halvledere en række isolatorer, der kun leder elektricitet under visse omstændigheder.
Ifølge kvantemekanik forekommer elektroner bundet til atomer i specifikke elektroniske konfigurationer. Den højeste energikonfiguration (eller energibåndet), der normalt optages af elektroner til et givet materiale, er kendt som valensbåndet, og i hvilken grad det er fyldt bestemmer i vid udstrækning materialets elektriske ledningsevne. I en typisk chauffør (metal), er valensbåndet ca. halvt fyldt med elektroner, der let bevæger sig fra atom til atom og bærer en strøm. I en god isolator , såsom glas eller gummi, er valensbåndet fyldt, og disse valenselektroner har meget ringe mobilitet. Som isolatorer har halvledere generelt deres valensbånd fyldt, men i modsætning til isolatorer kræves der meget lidt energi for at excitere en elektron fra valensbåndet til det næste tilladte energibånd - kendt som ledningsbåndet, fordi enhver elektron begejstret for denne højere energi niveau er relativt gratis. For eksempel er båndgabet for silicium 1,12 eV (elektronvolt), og det for galliumarsenid er 1,42 eV. Dette er inden for området energi transporteret af fotoner af infrarødt og synligt lys, som derfor kan hæve elektroner i halvledere til ledningsbåndet. (Til sammenligning tildeler et almindeligt lommelygtebatteri 1,5 eV til hver elektron, der passerer gennem det. Der kræves meget mere energisk stråling for at overvinde båndgabet i isolatorer.) Afhængigt af hvordan det halvledende materiale er konfigureret, kan denne stråling muligvis være konfigureret. forbedre dets elektriske ledningsevne ved at tilføje til en elektrisk strøm, der allerede er induceret af en påført spænding ( se fotokonduktivitet), eller det kan generere en spænding uafhængigt af eksterne spændingskilder ( se solcelleeffekt).
Fotokonduktivitet opstår fra elektroner frigjort af lyset og fra en strøm af positiv ladning også. Elektroner hævet til ledningsbåndet svarer til manglende negative ladninger i valensbåndet, kaldet huller. Både elektroner og huller øger strømmen, når halvlederen er belyst.
I den fotovoltaiske effekt genereres en spænding, når elektronerne frigjort af det indfaldende lys adskilles fra de huller, der genereres, hvilket giver en forskel i elektrisk potentiale. Dette gøres typisk ved hjælp af en s - n krydset snarere end en ren halvleder. EN s - n krydset sker ved krydset mellem s -type (positiv) og n -type (negative) halvledere. Disse modsatte regioner er skabt ved tilsætning af forskellige urenheder for at producere overskydende elektroner ( n -type) eller overskydende huller ( s -type). Belysning frigør elektroner og huller på modsatte sider af krydset for at producere en spænding over krydset, der kan drive strøm og derved omdanne lys til elektrisk strøm.
star wars blev navnet givet til hvilken reagan indsats?
Andre fotoelektriske effekter er forårsaget af stråling ved højere frekvenser, f.eks Røntgenstråler og gammastråler. Disse højenergifotoner kan endda frigive elektroner nær atomkernen, hvor de er tæt bundet. Når en sådan indre elektron skubbes ud, falder en ydre elektron med højere energi hurtigt ned for at udfylde den ledige stilling. Den overskydende energi resulterer i emission af en eller flere ekstra elektroner fra atomet, som kaldes Auger-effekten.
Også set ved høje fotonergier er Compton-effekten, der opstår, når en Røntgen eller gammastrålefoton kolliderer med en elektron. Effekten kan analyseres ved hjælp af de samme principper, der styrer kollisionen mellem to organer, herunder bevarelse af momentum. Fotonen mister energi til elektronen, et fald, der svarer til en øget fotonbølgelængde ifølge Einsteins forhold ER = h c / λ. Når kollisionen er sådan, at elektronen og fotondelen er vinkelret på hinanden, øges fotonets bølgelængde med en karakteristisk mængde kaldet Compton-bølgelængden, 2,43 × 10−12måler.
Copyright © Alle Rettigheder Forbeholdes | asayamind.com