Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект является основным физическим явлением, которое не только имеет множество практических применений в наши дни, но и вдохновило целую новую область науки.

Металл содержит много подвижных электронов. Эти электроны могут возбуждаться, когда им предоставляется энергия. И, если энергия достаточно высока, электроны могут возбуждаться из металла.

Когда такое возбуждение происходит светом, выброшенные электроны известны как фотоэлектроны, что дало название этому эффекту - фотоэлектрический эффект.

Здесь мы продемонстрируем фотоэлектрический эффект с помощью заряженной цинковой металлической пластины, которая подвергается воздействию обычного света лампы и ультрафиолетового света.

Прежде чем мы узнаем, как проводить эксперимент и собирать данные, давайте обсудим параметры и принципы, которые управляют этим эффектом. Было замечено, что для того, чтобы произошел фотоэлектрический эффект, частота 'f' света должна превышать некоторый минимальный порог 'f0' (читай-f-ноль).

Чтобы понять, почему это важно, давайте увеличим масштаб и посмотрим на этот процесс на микроскопическом уровне. Когда свет падает на металл, отдельные световые фотоны поглощаются электронами в металле. Теперь, чтобы эти электроны освободились от металла, они должны выполнить некоторую работу.

Таким образом, энергия поглощенного фотона Е должна быть больше, чем эта «рабочая функция» W металла, где рабочая функция представляет собой минимальную энергию, или пороговую энергию, необходимую для высвобождения электрона из определенного металла.

Теперь, поскольку энергия фотона прямо пропорциональна частоте света, пороговая энергия соответствует пороговой частоте f0.

Соотношение между энергией и частотой определяется этим уравнением, где «h» — постоянная Планка. Это же уравнение можно использовать и для вычисления пороговой частоты.

Например, рабочая функция цинка составляет 4,3 электрон-вольт. Это означает, что пороговая частота для возникновения фотоэлектрического эффекта в цинке будет составлять 10^15 Герц, что соответствует пороговой длине волны ?0 в 300 нанометров. Такая короткая длина волны соответствует ультрафиолетовому излучению

Рассмотрев принципы фотоэлектрического эффекта, давайте теперь рассмотрим пошаговый протокол, чтобы продемонстрировать этот эффект с помощью простого эксперимента.

Приобретите все необходимые инструменты и материалы для эксперимента, а именно: электроскоп, цинковую металлическую пластину, кусок наждачной бумаги, источник ультрафиолетового излучения с длиной волны менее 300 нм, обычную лампу, дающую видимый свет, акриловый стержень, кусок меха и пару защитных от ультрафиолета очков.

Во-первых, с помощью наждачной бумаги отполируйте поверхность цинковой металлической пластины. Это удаляет оксид цинка с поверхности металла и облегчает перенос электронов. Поместите цинковую пластину на металлическую пластину электроскопа. Следите за тем, чтобы цинковая пластина находилась в непосредственном контакте с электроскопом.

Далее потрите стержень с кусочком меха пять-шесть раз, чтобы стержень отрицательно зарядился. Поднесите стержень близко к цинковой пластине, следя за тем, чтобы они не соприкасались друг с другом.

Другой рукой кратковременно коснитесь цинковой пластины, чтобы положительно зарядить цинковую пластину с помощью индукции. Игла электроскопа должна отклоняться, указывая на то, что металлическая пластина и все детали электроскопа, подключенные к ней, заряжены.

Далее включите видимую лампу и поднесите ее вплотную к электроскопу и посветите ее светом на цинковую пластину. Понаблюдайте за реакцией электроскопа.

Теперь выключите штатную лампу и наденьте защитные очки от ультрафиолета. Снимите стеклянную пластину и включите лампу, чтобы получить источник ультрафиолетового света и поднесите ее поближе к электроскопу. Направьте ультрафиолетовый свет на металлический цинк. Понаблюдайте за реакцией электроскопа. Затем выключите ультрафиолетовый свет.

Теперь снова потрите стержень мехом пять-шесть раз, чтобы стержень зарядился отрицательно. Подведите стержень к прямому контакту с цинковой пластиной.

Это приведет к отклонению стрелки электроскопа из-за переноса некоторых отрицательных зарядов на цинковую пластину. Отложите стержень и следите за тем, чтобы не касаться цинковой металлической пластины рукой или любым другим предметом.

Далее включите видимую лампу и поднесите ее вплотную к электроскопу и посветите ее светом на цинковую пластину. Понаблюдайте за реакцией электроскопа.

Наденьте защитные очки от ультрафиолета. Снимите стеклянную пластину, включите ультрафиолетовый свет и поднесите его к электроскопу. Направьте ультрафиолетовый свет на металлический цинк. Понаблюдайте за реакцией электроскопа. Затем выключите ультрафиолетовый свет.

Рассмотрим теперь и интерпретируем результаты этих экспериментов.

В первой половине эксперимента, когда заряженный стержень и цинковая пластина не находятся в прямом контакте друг с другом, игла остается отклоненной как для обычной лампы, так и для ультрафиолетового освещения, что указывает на то, что цинковая пластина остается заряженной.

Это происходит потому, что цинковая пластина, которая уже потеряла часть электронов, чтобы стать положительно заряженной, в дальнейшем теряет часть фотоэлектронов, когда на нее падает ультрафиолетовый свет. Это только делает цинковую пластину немного более положительно заряженной, немного отклоняя иглу электроскопа.

С другой стороны, когда заряженный стержень и цинковая пластина соприкасаются друг с другом, мы видим, что использование обычного света лампы не оказывает никакого влияния на электроскоп. Однако использование УФ-лампы приводит к тому, что стрелка электроскопа сжимается и возвращается в незаряженное положение без отклонения

Это происходит потому, что только фотоны ультрафиолетового света обладают достаточной энергией, превышающей рабочую функцию цинка, чтобы выбрасывать фотоэлектроны. Это разряжает цинковую пластину, которая ранее была отрицательно заряжена.

Как и в предыдущем случае, видимому свету не хватает энергии для возбуждения фотоэлектронов, из-за чего цинковая пластина не разряжается.

Фотоэлектроника изучается уже много десятилетий и привела к развитию новых областей исследований и множеству приложений.

Фотоэлектрический эффект был использован для создания различных оптоэлектронных устройств, которые имеют разнообразное практическое применение. Одним из примеров оптоэлектронного устройства является светочувствительный электрический выключатель.

При этом блокирование или разблокирование светового луча, падающего на металл, выключает или включает электрический ток из-за отсутствия или присутствия фотоэлектронов.

Приборы ночного видения (NVD) также используют принципы фотоэлектрического эффекта, чтобы позволить получать изображения с уровнями света, приближающимися к полной темноте. Вкратце, фотоны, попадающие на тонкую пленку щелочного металла или полупроводникового материала внутри устройства, вызывают выброс фотоэлектронов из-за фотоэлектрического эффекта.

Эти электроны ускоряются электростатическим полем и умножаются за счет вторичного излучения для усиления исходного сигнала. Затем умноженные электроны ударяются о экран с люминофорным покрытием, преобразуя электроны обратно в фотоны, формируя таким образом изображение.

Вы только что посмотрели введение JoVE в фотоэлектрический эффект. Теперь вы должны разобраться в основных понятиях фотоэффекта, а также понять, почему заряженные металлы могут разряжаться только с помощью света определенной частоты. Кроме того, в этом видео был продемонстрирован простой эксперимент по визуализации фотоэлектрического эффекта с использованием заряженной цинковой металлической пластины, подвергшейся воздействию видимого света и ультрафиолетового излучения. Спасибо за просмотр!