Фотоэлектрический эффект возникает, когда вещество испускает электроны при воздействии электромагнитного излучения, такого как фотоны света. Вот подробнее, что такое фотоэлектрический эффект и как он работает.
Обзор фотоэлектрического эффекта
Фотоэлектрический эффект изучен частично, потому что он может быть введением в волновая двойственность и квантовая механика.
Когда поверхность подвергается воздействию достаточно энергичной электромагнитной энергии, свет будет поглощаться, и электроны будут излучаться. Пороговая частота различна для разных материалов. это видимый свет для щелочных металлов, ультрафиолетовое излучение для других металлов и экстремальное ультрафиолетовое излучение для неметаллов. Фотоэлектрический эффект имеет место с фотонами, имеющими энергию от нескольких электронвольт до более 1 МэВ. При высоких энергиях фотонов, сравнимых с энергией покоя электронов 511 кэВ, может происходить комптоновское рассеяние. Образование пар может происходить при энергиях свыше 1,022 МэВ.
Эйнштейн предположил, что свет состоит из квантов, которые мы называем фотонами. Он предположил, что энергия в каждом кванте света равна частоте, умноженной на постоянную (постоянную Планка), и что фотон с частотой выше определенного порога будет иметь достаточную энергию для выброса одного электрона, создавая фотоэлектрический эффект. Оказывается, что для объяснения фотоэлектрического эффекта не нужно квантовать свет, но некоторые учебники продолжают утверждать, что фотоэлектрический эффект демонстрирует природу частиц светлый.
Уравнения Эйнштейна для фотоэлектрического эффекта
Интерпретация Эйнштейном фотоэлектрического эффекта приводит к уравнениям, которые действительны для видимого и ультрафиолетовый свет:
энергия фотона = энергия, необходимая для удаления электрона + кинетическая энергия испускаемого электрона
hν = W + E
где
ч постоянная Планка
ν - частота инцидента фотон
W - работа выхода, которая является минимальной энергией, необходимой для удаления электрона с поверхности данного металла: hν0
Е это максимум кинетическая энергия выброшенных электронов: 1/2 мВ2
ν0 пороговая частота для фотоэлектрического эффекта
m - масса покоя выброшенного электрона
v - скорость выброшенного электрона
Электрон не будет излучаться, если энергия падающего фотона меньше работы выхода.
применение Специальная теория относительности Эйнштейнасвязь между энергией (E) и импульсом (p) частицы
E = [(шт)2 + (мс2)2](1/2)
где m - масса покоя частицы, а c - скорость света в вакууме.
Основные характеристики фотоэлектрического эффекта
- Скорость, с которой испускаются фотоэлектроны, прямо пропорциональна интенсивности падающего света для данной частоты падающего излучения и металла.
- Время между падением и испусканием фотоэлектрона очень мало, менее 10–9 второй.
- Для данного металла существует минимальная частота падающего излучения, ниже которой фотоэлектрический эффект не возникает, поэтому фотоэлектроны не могут излучаться (пороговая частота).
- Выше пороговой частоты максимальная кинетическая энергия испускаемого фотоэлектрона зависит от частоты падающего излучения, но не зависит от его интенсивности.
- Если падающий свет линейно поляризован, то направленное распределение испускаемых электронов будет максимальным в направлении поляризации (направлении электрического поля).
Сравнение фотоэлектрического эффекта с другими взаимодействиями
Когда свет и вещество взаимодействуют, возможны несколько процессов, в зависимости от энергии падающего излучения. Фотоэлектрический эффект является результатом низкой энергии света. Средняя энергия может вызвать рассеяние Томсона и Комптоновское рассеяние. Свет высокой энергии может привести к образованию пары.