A fotóhatás - a fény és az anyag kölcsönhatása
A fotóhatás - a fény és az anyag kölcsönhatása
A fotóhatást Heinrich Hertz fedezte fel 1887-ben, majd Wilhelm Hallwachs, egyik tanítványa és Philip Lenard vizsgálta tovább.
A fotóeffektus helyes értelmezése azonban Albert Einsteinnek csak 1905-ben készült munkáiban sikerült. Elsősorban ezért kapta meg 1921-ben a fizikai Nobel-díjat.
Kísérlet:
Az elektroszkópon lévő csiszolt cinklemez negatív töltésű, majd higanygőz-lámpa fényével besugárzott.
A töltés változása megfigyelhető az elektroszkóp mutató elhajlásakor.
Megfigyelés:
A cinklemez besugárzásakor a mutató elhajlása az elektroszkópon csökken - a cinklemez így ürül:
Ez a hatás azonban bekövetkezik Nem mikor
- a cinklemez pozitív töltésű volt
- a lámpa és a cinklemez között üvegtábla van
- másik fényforrást (pl. nátriumgőz-lámpa, izzólámpa stb.) használnak
Magyarázat:
A higanygőz-lámpa fényének besugárzása esetén felesleges elektron szabadul fel a cinklemez felületéről.
Hogy ez a hatás nem fordul elő más fényforrásoknál, vagy a lámpa és a cinklemez közötti üvegtáblánál, amely elnyeli a higanylámpa UV-fényét, azt mutatja:
Csak a rövidhullámú UV fény képes elektronokat felszabadítani a cinklemezről.
Fotóhatás
Az a hatás, hogy a fény képes az elektronokat felszabadítani a szilárd anyagok felületéről, ismert Fotóhatás
(vagy a felfedező után visszavágó viasz hatása is van).
A fény által felszabadult elektronokat hívjuk Fotoelektronok.
A cseremunka
Az elektronok felszabadításához a cinklemezről dolgoznia kellett rajtuk munka amely csak a fényből származhat.
Az elektronok felszabadításához szükséges munka ismert Cseremunka WA.
Ebben az esetben a szükséges leválasztási munkát nyilvánvalóan csak rövidhullámú UV-fény végezheti, de látható fény nem - függetlenül attól, hogy mekkora a látható fény intenzitása.
A fény energiának az elektronok felé történő átvitelének különböznie kell a látható fénnyel az UV fény esetén.
Ellentmondás a hullámelmélettel
Az a tény, hogy a látható fény még nagyon nagy intenzitással sem képes a szükséges energiát átvinni az elektronokba, ellentmond a hullámelméletnek, mert nagyobb fényintenzitás mellett több energiát is át kell vinni az elektronokra.
Kapcsolat az elektromágneses hullámok intenzitása és energiája között
A I. intenzitás az elektromágneses sugárzást a hányadosa határozza meg Energia E, az egyben Időintervallum Δt rajta A terület és ennek az A területnek és a Δt szorzatának a szorzata:
Az alábbiak érvényesek:
Így van energia elektromágneses sugárzás arányos az intenzitással:
Tehát felmerül a kérdés:
Miért nem képes minden nagy intenzitású fény elengedni az elektronokat a cinklemezről?
A fény által kibocsátott fotoelektronok tulajdonságainak részletesebb vizsgálata érdekében fémrács (spirális elektróda) segítségével rögzítik őket:
Az elektródák között feszültség érzékelhető. Az elektronok eljutnak a fémrácsig, amely negatív töltésű.
Magyarázat/következtetés:
Amikor a fotoelektronok rácsra kerülnek, felszabadulásuk után további kinetikus energiával kell rendelkezniük. A csere munkához hasonlóan ez is csak a fényből származhat.
A fotófolyam
Ha a cinklemez és a fémrács között néhány kV-os nagyfeszültséget alkalmaznak, a felszabaduló elektronok vonzódnak a fémrácshoz, és mérőerősítő segítségével áramként rögzíthetők.
A felszabadult elektronok (fotoelektronok) által létrehozott áram néven ismert Fotófolyam.
Ha növeli a fény intenzitását, a fényáram növekszik - több elektron éri el a rácsot.
A fotocella
A fotocella hasonló az előző kísérlethez:
A fotocella egy fémrétegből áll (főleg céziumot használnak), a Fotokatód, amelyből fény hatására elektronok szabadulnak fel.
A katódanyag gyengén kötött elektronokkal rendelkezik, amelyek - ellentétben a cinklemezzel - látható fénnyel is felszabadíthatók.
Fémgyűrű, az ún Csengő anód.
Mindkettő vákuumcsőben van, ami megkönnyíti az elektronok távozását. Ez azt jelenti, hogy már nincs szükség a fotokatód negatív töltésére.
Ha a fotocellát fénnyel besugározzák, az elektronok felszabadulnak a fotokatódból, és eljutnak a gyűrűanódhoz.
Ha az anód és a katód nincsenek egymással összekapcsolva, az idő múlásával elektronhiány lesz a katódon, míg a gyűrűanódon elektronfelesleg alakul ki.
Építi a Feszültség az anód és a katód között be: Az anódgyűrű negatív töltéssel, a katód pozitívan töltődik fel.
Mitől függ az anód és a katód közötti feszültség?
Minden felszabadult elektron egyre negatívabban töltött anódgyűrű felé halad. Tehát van egy egyre erősebb elektromos mező, amely lelassítja az elektronokat. Ha a mező túl erős, vagyis a feszültség túl magas, a fotoelektronok már nem tudják elérni az anódot - a feszültség ekkor már nem növekszik.
Az az energia, amelyre az elektronoknak szüksége van a katód és az anód közötti elektromos mező leküzdéséhez és így az anód eléréséhez, megfelel az elektromos mező energiájának:
Az elektronok mozgási energiájának tehát legalább ennek az energiának meg kell felelnie az anód eléréséhez.
Minél nagyobb a leggyorsabb fotoelektronok mozgási energiája, annál nagyobb a feszültség.
Ha a feszültség nem nő tovább, ez azt jelenti, hogy egyetlen elektronnak sincs elegendő energiája az anód eléréséhez.
A leggyorsabb fotoelektronok akkor legyen pontosan az energiád
.
Megjegyzés: Nem minden felszabadult elektronnak ugyanaz az energiája - ez az energia felel meg a leggyorsabb elektronok energiájának.
A fenti csatlakozással a feszültségből könnyen levezethető a leggyorsabb fotoelektronok energiája.
Ha megismétli a kísérletet különböző világos színekkel, kiderül:
A feszültség a fény színétől függ:
Minél nagyobb a felhasznált fény frekvenciája, annál nagyobb a feszültség.
Ez a kapcsolat megerősíti a korábbi kísérletek ismereteit:
A kisebb hullámhosszú fény nyilvánvalóan több energiát tud átvinni az elektronokra, mint a hosszabb hullámhosszú fény - függetlenül a fény intenzitásától!
Az elektronok mennyi energiát kapnak a fénytől, és ettől függ?
A leggyorsabb fotoelektronok energiájának meghatározásához ezért meg kell mérni azt a feszültséget, amely akkor jön létre, amikor a fotoelektromos elem fénynek van kitéve. Ezután a fotoelektronok energiáját a fent említett kapcsolattal lehetne kiszámolni.
Ennek a feszültségnek a meghatározásával azonban probléma van:
Még akkor is, ha a voltmérőnek nagy a belső ellenállása, néhány elektron mégis átfolyik a voltmérőn - és így az anódtól a katódig. De ez csökkenti a mérendő feszültséget.
Mivel az elektronok száma korlátozott (a fényáram nagyon kicsi; néhány nA tartományban van), jelentősen befolyásolnánk a mérendő mennyiséget magában a mérési folyamatban.
Emiatt egy másik módszert alkalmaznak a fotoelektronok maximális energiájának meghatározására, az ún. Ellentétes mező módszer.