Mõelgem, kuidas Heinrich Hertzi fotoelektrilise efekti avastamine viis Albert Einsteini valgusteooriani Fotoelektrilise efekti selgitus. Encyclopædia Britannica, Inc. Vaadake kõiki selle artikli videoid
fotoelektriline efekt , nähtus, kus elektromagnetkiirguse neelamisel vabanevad materjalist või selle sisemusest elektriliselt laetud osakesed. Mõju määratletakse sageli kui elektronide väljutamist metallplaadilt, kui sellele langeb valgus. Laiemas määratluses võib kiirgusenergia olla infrapuna , nähtav või ultraviolettvalgus, Röntgenikiirgus või gammakiired; materjal võib olla tahke, vedel või gaasiline; ja vabanenud osakesed võivad olla nii ioonid (elektriliselt laetud aatomid või molekulid) kui ka elektronid. Nähtus oli kaasaegse arengus põhimõtteliselt märkimisväärne Füüsika hämminguliste küsimuste tõttu, mis tõstatati valguse olemuse kohta - osakesed versus laineline käitumine -, mille Albert Einstein lõplikult lahendas 1905. aastal. Mõju on endiselt oluline materjaliteadus astrofüüsikale, samuti on see aluseks mitmesugustele kasulikele seadmetele.
Fotoelektrilise efekti avastas Saksa füüsik 1887. aastal Heinrich Rudolf Hertz . Raadiolainetööga seoses täheldas Hertz, et kui ultraviolettvalgus paistab kahele metallelektroodile, mille pinge on üle rakendatud, muudab valgus pinget, mille juures sädeme toimub. See seos valguse ja elektri vahel (seega fotoelektriline ) selgitas 1902. aastal teine saksa füüsik Philipp Lenard. Ta demonstreeris, et elektrilaenguga osakesed vabanevad metallpinnalt, kui see on valgustatud ja et need osakesed on identsed elektronidega, mille oli avastanud Briti füüsik Joseph John Thomson aastal 1897.
Edasised uuringud näitasid, et fotoelektriline efekt tähistab valguse ja aine vastastikmõju, mida ei saa seletada klassikalise füüsikaga, mis kirjeldab valgust kui elektromagnetlainet. Üks seletamatu tähelepanek oli see, et vabanenud elektronide maksimaalne kineetiline energia ei varieerunud valguse intensiivsusega, nagu laineteooria kohaselt eeldati, vaid oli selle asemel proportsionaalne valguse sagedusega. Valgustugevuse määras metallist vabanenud elektronide arv (mõõdetuna kui elektrivool ). Teine mõistatuslik tähelepanek oli see, et kiirguse saabumise ja elektronide emissiooni vahel praktiliselt ei olnud ajavahet.
fotoelektriline efekt: Einsteini Nobeli preemiaga pärjatud avastus Brian Greene käsitleb fotoelektrilise efekti võtmevalemit - ülevaadet, mis aitas kvantrevolutsiooni käivitada. See video on osa temast Päevavõrrand seeria. Maailma teadusfestival (Britannica kirjastuspartner) Vaadake kõiki selle artikli videoid
Nende ootamatute käitumiste kaalumine viis Albert Einsteini 1905. aastal sõnastama uue valguse korpuskulaarse teooria, kus iga valguse osake või footon sisaldab fikseeritud kogust energiat või kvanti, mis sõltub valguse sagedusest. Eelkõige kannab footon energiat ON võrdne h f , kus f on valguse sagedus ja h on universaalne konstant, mille saksa füüsik Max Planck tuletas 1900. aastal lainepikkus mustkeha kiirguse jaotus - so kuumast kehast eralduv elektromagnetkiirgus. Seos võib olla kirjutatud ka samaväärses vormis ON = h c / λ, kus c on valguse kiirus ja λ on selle lainepikkus, mis näitab, et footoni energia on pöördvõrdeline tema lainepikkusega.
Einstein eeldas, et footon tungib materjali sisse ja kannab selle energia elektronile. Kui elektron liikus suurel kiirusel läbi metalli ja lõpuks materjalist välja tuli, väheneks selle kineetiline energia summa, mida nimetatakse tööfunktsiooniks (sarnane elektroonilise tööfunktsiooniga), mis tähistab energiat, mis on vajalik elektroni väljumiseks metallist. Kõrval energia säästmine , viis see arutluskäik Einsteini fotoelektrilise võrrandini ON kuni = h f - ϕ, kus ON kuni on väljutatava elektroni maksimaalne kineetiline energia.
Ehkki Einsteini mudel kirjeldas valgustatud plaadilt elektronide emissiooni, oli tema footon hüpotees oli piisavalt radikaalne, et seda ei aktsepteeritud enne, kui see sai täiendava eksperimentaalse kontrolli. Edasine kinnitus leidis aset 1916. aastal, kui Ameerika füüsiku mõõtmised olid ülitäpsed Robert Millikan kontrollis Einsteini võrrandit ja näitas suure täpsusega, et Einsteini konstandi väärtus h oli sama mis Plancki konstant . Einstein pälvis 1921. aastal fotoelektrilise efekti selgitamise eest lõpuks Nobeli füüsikapreemia.
1922. aastal mõõtis Ameerika füüsik Arthur Compton röntgenikiirguse lainepikkuse muutust pärast nende vastastikust mõju vabade elektronidega ja näitas, et muutust saab arvutada röntgenkiirte töötlemisel footonitest. Selle töö eest sai Compton 1927. aastal Nobeli füüsikapreemia. 1931. aastal laiendas Briti matemaatik Ralph Howard Fowler fotoelektrilise emissiooni mõistmist, luues seose fotoelektrilise voolu ja temperatuuri vahel metallides. Edasised jõupingutused näitasid, et elektromagnetkiirgus võib ka elektronid emiteerida isolaatorid , mis ei juhi elektrit, ja pooljuhtides mitmesuguseid isolaatoreid, mis juhivad elektrit ainult teatud tingimustel.
Kvantmehaanika kohaselt esinevad aatomitega seotud elektronid konkreetsetes elektroonilistes konfiguratsioonides. Suurimat energiakonfiguratsiooni (või energiariba), mille elektronid tavaliselt antud materjali jaoks hõivavad, tuntakse valentsribana ja selle täituvus määrab suures osas materjali elektrijuhtivuse. Tüüpilises autojuht (metall), valentsiriba on umbes pool täidetud elektronidega, mis voolu kandes hõlpsasti aatomilt aatomile liikuvad. Heas isolaator nagu klaas või kumm, valentsipael on täidetud ja nende valentselektronide liikuvus on väga väike. Nagu isolaatoritel, on ka pooljuhtide valentsribad täidetud, kuid erinevalt isolaatoritest on elektroni ergastamiseks valentsribast järgmise lubatud energiaribani - juhtivusribana - vaja väga vähe energiat, kuna iga selle suurema energiaga ergastatud elektron tase on suhteliselt vaba. Näiteks räni ribalaius on 1,12 eV (elektronvoldid) ja galliumarseniidi oma 1,42 eV. See jääb infrapuna- ja nähtava valguse footonite poolt kantud energia vahemikku, mis võib seetõttu pooljuhtides olevad elektronid juhtimisribale tõsta. (Võrdluseks võib öelda, et tavaline taskulamp aku annab igale seda läbivale elektronile 1,5 eV. Isolaatorite ribalaiuse ületamiseks on vaja palju energeetilist kiirgust.) Sõltuvalt sellest, kuidas pooljuhtmaterjal on konfigureeritud, võib see kiirgus suurendada selle elektrijuhtivus, lisades juba rakendatud pinge tekitatud elektrivoolule ( vaata fotojuhtivus) või võib see tekitada pinge välistest pingeallikatest sõltumatult ( vaata fotogalvaaniline efekt).
Fotojuhtivus tuleneb valgusest vabanenud elektronidest ja ka positiivse laengu voost. Juhtimisribale tõstetud elektronid vastavad valentsribas puuduvatele negatiivsetele laengutele, mida nimetatakse aukudeks. Nii elektronid kui augud suurendavad pooljuhi valgustamisel voolu.
Fotogalvaanilise efekti korral tekib pinge, kui langeva valguse vabanenud elektronid eraldatakse tekkivatest aukudest, tekitades elektrilise potentsiaali erinevuse. Seda tehakse tavaliselt a abil lk - n ristmik, mitte puhas pooljuht. A lk - n ristmik toimub ristmikul vahel lk -tüüp (positiivne) ja n -tüüpi (negatiivsed) pooljuhid. Need vastandlikud piirkonnad tekivad erinevate lisandite lisamisega, et tekitada liigseid elektrone ( n -tüüp) või liigsed augud ( lk -tüüp). Valgustus vabastab ristmiku vastaskülgedel olevad elektronid ja augud, et tekitada ristmikul pinge, mis suudab voolu liikuda, muutes seeläbi valguse elektriks.
mis on impeeriumiriigi ülesehitamise eesmärk
Muud fotoelektrilised efektid on põhjustatud kiirgusest kõrgematel sagedustel, näiteks Röntgenikiirgus ja gammakiired. Need suurema energiaga footonid võivad vabastada elektrone isegi aatomituuma lähedal, kus nad on tihedalt seotud. Kui selline sisemine elektron väljutatakse, langeb suurema energiaga välimine elektron kiiresti alla, et täita tühi koht. Liigne energia põhjustab aatomi ühe või mitme täiendava elektroni emissiooni, mida nimetatakse Augeri efektiks.
Samuti on kõrgetel footonienergiatel näha Comptoni efekt, mis tekib siis, kui Röntgen või gammakiirte footon põrkab kokku elektroniga. Mõju saab analüüsida samade põhimõtete järgi, mis reguleerivad kahe keha kokkupõrget, sealhulgas hoogu. Footon kaotab elektronile energia, vähenemine vastab Einsteini seose järgi suurenenud footoni lainepikkusele ON = h c / λ. Kui kokkupõrge on selline, et elektron ja footon osalevad üksteise suhtes täisnurga all, suureneb footoni lainepikkus iseloomuliku summa võrra, mida nimetatakse Comptoni lainepikkuseks, 2,43 × 10−12meeter.
