การแนะนำ

1. ประวัติความเป็นมาของการค้นพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

2. กฎของสโตเลตอฟ

3. สมการของไอน์สไตน์

4. เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายใน

5. การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

บรรณานุกรม

การแนะนำ

ปรากฏการณ์ทางแสงจำนวนมากได้รับการอธิบายอย่างสม่ำเสมอตามแนวคิดเกี่ยวกับธรรมชาติของคลื่นของแสง อย่างไรก็ตามในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 – ต้นศตวรรษที่ 20 ปรากฏการณ์ต่างๆ เช่น โฟโตอิเล็กทริก, รังสีเอกซ์, เอฟเฟกต์คอมป์ตัน, รังสีของอะตอมและโมเลกุล, รังสีความร้อนและอื่น ๆ ถูกค้นพบและศึกษาคำอธิบายซึ่งจากมุมมองของคลื่นกลายเป็นไปไม่ได้ คำอธิบายข้อเท็จจริงจากการทดลองใหม่ได้มาจากแนวคิดทางร่างกายเกี่ยวกับธรรมชาติของแสง สถานการณ์ที่ขัดแย้งกันเกิดขึ้นเกี่ยวข้องกับการใช้แบบจำลองทางกายภาพของคลื่นและอนุภาคที่ตรงกันข้ามโดยสิ้นเชิงเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ทางแสง ในปรากฏการณ์บางอย่าง แสงแสดงคุณสมบัติของคลื่น ในบางปรากฏการณ์ - คุณสมบัติทางร่างกาย

ในบรรดาปรากฏการณ์ต่าง ๆ ที่แสดงผลของแสงต่อสสารสถานที่สำคัญก็ถูกครอบครอง เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคนั่นคือการปล่อยอิเล็กตรอนโดยสารภายใต้อิทธิพลของแสง การวิเคราะห์ปรากฏการณ์นี้นำไปสู่แนวคิดเรื่องควอนตัมแสงและมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาแนวคิดทางทฤษฎีสมัยใหม่ ในเวลาเดียวกัน เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกถูกใช้ในโฟโตเซลล์ ซึ่งได้รับการประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในสาขาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีต่างๆ และมีแนวโน้มว่าจะร่ำรวยยิ่งขึ้นไปอีก

1. ประวัติความเป็นมาของการค้นพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

การค้นพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกควรนำมาประกอบกับปี 1887 เมื่อเฮิรตซ์ค้นพบว่าการส่องสว่างอิเล็กโทรดของช่องว่างประกายไฟที่มีพลังงานด้วยแสงอัลตราไวโอเลตช่วยให้เกิดประกายไฟระหว่างกันได้ง่ายขึ้น

ปรากฏการณ์ที่ค้นพบโดยเฮิรทซ์สามารถสังเกตได้ในการทดลองที่เป็นไปได้ง่ายต่อไปนี้ (รูปที่ 1)

ขนาดของช่องว่างประกายไฟ F ถูกเลือกในลักษณะที่ในวงจรที่ประกอบด้วยหม้อแปลง T และตัวเก็บประจุ C ประกายไฟจะหลุดผ่านอย่างยากลำบาก (หนึ่งหรือสองครั้งต่อนาที) หากอิเล็กโทรด F ที่ทำจากสังกะสีบริสุทธิ์ถูกส่องสว่างด้วยแสงของหลอดปรอท Hg แสดงว่าการคายประจุของตัวเก็บประจุจะสะดวกขึ้นอย่างมาก: ประกายไฟเริ่มกระโดด รูปที่. 1. แผนการทดลองของเฮิรตซ์

โฟโตอิเล็กทริกได้รับการอธิบายในปี 1905 โดย Albert Einstein (ซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี 1921) โดยอาศัยสมมติฐานของ Max Planck เกี่ยวกับธรรมชาติควอนตัมของแสง งานของไอน์สไตน์มีสมมติฐานใหม่ที่สำคัญ หากพลังค์เสนอว่าแสงถูกปล่อยออกมาเฉพาะในส่วนที่เป็นปริมาณเท่านั้น ไอน์สไตน์ก็เชื่อแล้วว่าแสงมีอยู่ในรูปของส่วนควอนตัมเท่านั้น จากแนวคิดเรื่องแสงเป็นอนุภาค (โฟตอน) สูตรของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคมีดังนี้:

คือพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา คือฟังก์ชันการทำงานของสารที่กำหนด คือความถี่ของแสงตกกระทบ คือค่าคงที่ของพลังค์ ซึ่งกลายเป็นค่าเดียวกันกับในสูตรของพลังค์สำหรับการแผ่รังสีวัตถุสีดำทุกประการ

สูตรนี้แสดงถึงการมีอยู่ของขอบเขตสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค ดังนั้นการวิจัยเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจึงเป็นหนึ่งในการศึกษาเชิงกลควอนตัมแรก ๆ

2. กฎของสโตเลตอฟ

เป็นครั้งแรก (พ.ศ. 2431-2433) นักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย A.G. Stoletov ได้รับผลลัพธ์ที่สำคัญขั้นพื้นฐาน ต่างจากนักวิจัยคนก่อนๆ ตรงที่เขาได้รับความต่างศักย์ไฟฟ้าเล็กน้อยระหว่างอิเล็กโทรด โครงร่างการทดลองของ Stoletov แสดงไว้ในรูปที่ 1 2.

อิเล็กโทรดสองตัว (อันหนึ่งอยู่ในรูปของตารางและอีกอัน - แบน) ซึ่งอยู่ในสุญญากาศติดอยู่กับแบตเตอรี่ แอมมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับวงจรใช้ในการวัดกระแสผลลัพธ์ ด้วยการฉายรังสีแคโทดด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆ Stoletov ได้ข้อสรุปว่ารังสีอัลตราไวโอเลตมีผลที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด นอกจากนี้ยังพบว่าความแรงของกระแสที่เกิดจากแสงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของมัน

ในปี พ.ศ. 2441 Lenard และ Thomson ได้ใช้วิธีการโก่งประจุในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก เพื่อกำหนดประจุเฉพาะของอนุภาคมีประจุที่พุ่งออกจากรูปที่ 1 2. โครงการทดลองของ Stoletov

แสงจากแคโทดและรับการแสดงออก

หน่วย SGSE s/g ซึ่งตรงกับประจุจำเพาะของอิเล็กตรอนที่ทราบ ต่อมาภายใต้อิทธิพลของแสง อิเล็กตรอนจะถูกขับออกจากสารแคโทด

เมื่อสรุปผลที่ได้รับ ก็ได้ข้อสรุปดังนี้ รูปแบบเอฟเฟ็กต์ภาพ:

1. ด้วยองค์ประกอบสเปกตรัมที่คงที่ของแสง ความแรงของโฟโตปัจจุบันที่อิ่มตัวจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับฟลักซ์แสงที่ตกกระทบบนแคโทด

2. พลังงานจลน์เริ่มต้นของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจากแสงจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับความถี่ของแสงที่เพิ่มขึ้น และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง

3. เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะไม่เกิดขึ้นหากความถี่ของแสงน้อยกว่าค่าที่กำหนดของโลหะแต่ละชนิด

เรียกว่าขอบแดง

ความสม่ำเสมอครั้งแรกของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เช่นเดียวกับการเกิดขึ้นของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเอง สามารถอธิบายได้อย่างง่ายดายตามกฎของฟิสิกส์คลาสสิก อันที่จริงสนามแสงซึ่งกระทำต่ออิเล็กตรอนภายในโลหะนั้นกระตุ้นการสั่นสะเทือนของพวกมัน แอมพลิจูดของการสั่นแบบบังคับสามารถเข้าถึงค่าที่อิเล็กตรอนออกจากโลหะได้ จากนั้นจะสังเกตผลของโฟโตอิเล็กทริก

เนื่องจากตามทฤษฎีคลาสสิก ความเข้มของแสงเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกำลังสองของเวกเตอร์ไฟฟ้า จำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสงที่เพิ่มขึ้น

กฎข้อที่สองและสามของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคไม่ได้อธิบายโดยกฎของฟิสิกส์คลาสสิก

ศึกษาการพึ่งพาโฟโตปัจจุบัน (รูปที่ 3) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อโลหะถูกฉายรังสีด้วยกระแสแสงเอกรงค์บนความต่างศักย์ระหว่างอิเล็กโทรด (การพึ่งพานี้มักเรียกว่าลักษณะโวลต์ - แอมแปร์ของโฟโตปัจจุบัน) เป็นที่ยอมรับว่า: 1) กระแสแสงเกิดขึ้นไม่เพียงแต่เมื่อใด

แต่ยังรวมถึง; 2) กระแสโฟโตปัจจุบันแตกต่างจากศูนย์ถึงความต่างศักย์ไฟฟ้าเชิงลบที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดสำหรับโลหะที่กำหนด ซึ่งเรียกว่าศักย์ไฟฟ้าชะลอ 3) ขนาดของศักยภาพในการบล็อก (ล่าช้า) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่ตกกระทบ 4) กระแสโฟโตปัจจุบันเพิ่มขึ้นเมื่อค่าสัมบูรณ์ของศักยภาพในการชะลอลดลง 5) ขนาดของโฟโตปัจจุบันจะเพิ่มขึ้นตามการเพิ่มขึ้นและจากค่าที่แน่นอนโฟโตปัจจุบัน (ที่เรียกว่ากระแสอิ่มตัว) จะกลายเป็นค่าคงที่ 6) ขนาดของกระแสอิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มของแสงตกกระทบที่เพิ่มขึ้น 7) ค่าความล่าช้า มะเดื่อ 3. ลักษณะ

ศักยภาพขึ้นอยู่กับความถี่ของแสงที่ตกกระทบ กระแสไฟ

8) ความเร็วของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาภายใต้อิทธิพลของแสงไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง แต่ขึ้นอยู่กับความถี่ของมันเท่านั้น

3. สมการของไอน์สไตน์

ปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกและกฎทั้งหมดได้รับการอธิบายอย่างดีโดยใช้ทฤษฎีควอนตัมของแสง ซึ่งยืนยันธรรมชาติของควอนตัมของแสง

ดังที่ได้กล่าวไปแล้ว Einstein (1905) ซึ่งเป็นผู้พัฒนาทฤษฎีควอนตัมของพลังค์ได้หยิบยกแนวคิดที่ว่าไม่เพียงแต่การแผ่รังสีและการดูดกลืนแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแพร่กระจายของแสงที่เกิดขึ้นในส่วนต่างๆ (ควอนตัม) ซึ่งเป็นพลังงานและโมเมนตัมของแสงด้วย

หัวข้อของตัวประมวลผลการตรวจสอบ Unified State: สมมติฐานของ M. Planck เกี่ยวกับควอนตัม เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค การทดลองโดย A.G. Stoletov สมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

เอฟเฟกต์ภาพถ่าย- นี่คือการกระแทกอิเล็กตรอนออกจากสสารโดยแสงตกกระทบ ไฮน์ริช เฮิรตซ์ค้นพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกในปี พ.ศ. 2430 ระหว่างการทดลองอันโด่งดังเกี่ยวกับการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
ให้เราระลึกว่า Hertz ใช้ช่องว่างประกายไฟพิเศษ (เครื่องสั่นของ Hertz) - ก้านผ่าครึ่งโดยมีลูกบอลโลหะคู่หนึ่งอยู่ที่ปลายของการตัด มีการใช้ไฟฟ้าแรงสูงไปที่ก้าน และประกายไฟก็พุ่งเข้ามาระหว่างลูกบอล ดังนั้น เฮิรตซ์จึงค้นพบว่าเมื่อลูกบอลที่มีประจุลบถูกฉายรังสีอัลตราไวโอเลต ประกายไฟจะจุดประกายได้ง่ายกว่า

อย่างไรก็ตาม เฮิรตซ์ถูกดูดซับไว้ในการศึกษาคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและไม่ได้คำนึงถึงข้อเท็จจริงข้อนี้ หนึ่งปีต่อมาเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซีย Alexander Grigorievich Stoletov การศึกษาทดลองอย่างรอบคอบซึ่งดำเนินการโดย Stoletov เป็นเวลาสองปีทำให้สามารถกำหนดกฎพื้นฐานของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกได้

การทดลองของสโตเลตอฟ

ในการทดลองที่มีชื่อเสียงของเขา Stoletov ใช้ตาแมวที่เขาออกแบบเอง ( ตาแมวอุปกรณ์ใด ๆ ที่ช่วยให้สังเกตเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคได้เรียกว่า แผนภาพแสดงไว้ในรูปที่. 1.

ข้าว. 1. ตาแมว Stoletov

อิเล็กโทรดสองตัวถูกเสียบเข้าไปในขวดแก้วซึ่งมีการสูบอากาศออกมา (เพื่อไม่ให้รบกวนการไหลของอิเล็กตรอน): แคโทดสังกะสีและแอโนด แคโทดและแอโนดใช้แรงดันไฟฟ้าซึ่งสามารถเปลี่ยนค่าได้โดยใช้โพเทนชิออมิเตอร์และวัดด้วยโวลต์มิเตอร์

ตอนนี้ "ลบ" ถูกนำไปใช้กับแคโทด และ "บวก" ถูกนำไปใช้กับขั้วบวก แต่สามารถทำได้ในวิธีอื่น (และการเปลี่ยนเครื่องหมายนี้เป็นส่วนสำคัญของการทดลองของ Stoletov) แรงดันไฟฟ้าบนอิเล็กโทรดถูกกำหนดให้เป็นเครื่องหมายที่ใช้กับขั้วบวก (ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับอิเล็กโทรดจึงมักเรียกว่า แรงดันแอโนด). ตัวอย่างเช่น ในกรณีนี้ แรงดันไฟฟ้าเป็นบวก

แคโทดจะส่องสว่างด้วยรังสีอัลตราไวโอเลตผ่านหน้าต่างควอตซ์พิเศษที่ทำในขวด (แก้วดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลต แต่ควอตซ์ส่งผ่าน) รังสีอัลตราไวโอเลตจะผลักอิเล็กตรอนออกจากแคโทด ซึ่งถูกเร่งด้วยแรงดันไฟฟ้าและบินไปยังขั้วบวก มิลลิแอมมิเตอร์ที่เชื่อมต่อกับวงจรจะบันทึกกระแสไฟฟ้า กระแสนี้เรียกว่า กระแสไฟและอิเล็กตรอนที่ถูกกระแทกออกมาซึ่งสร้างมันขึ้นมานั้นเรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน.

ในการทดลองของสโตเลตอฟ ปริมาณสามปริมาณสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างอิสระ ได้แก่ แรงดันแอโนด ความเข้มของแสง และความถี่

การพึ่งพาโฟโตปัจจุบันกับแรงดันไฟฟ้า

ด้วยการเปลี่ยนขนาดและสัญลักษณ์ของแรงดันแอโนด คุณสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสโฟโตปัจจุบันได้ กราฟของความสัมพันธ์นี้เรียกว่า ลักษณะของตาแมวดังแสดงในรูป 2.

ข้าว. 2. ลักษณะของตาแมว

เรามาหารือเกี่ยวกับเส้นโค้งผลลัพธ์กัน ก่อนอื่น เราสังเกตว่าอิเล็กตรอนบินออกจากแคโทดด้วยความเร็วและทิศทางที่ต่างกัน ให้เราแสดงความเร็วสูงสุดที่โฟโตอิเล็กตรอนมีภายใต้เงื่อนไขการทดลอง

หากแรงดันไฟฟ้าเป็นลบและมีค่าสัมบูรณ์สูง แสดงว่าไม่มีโฟโตปัจจุบัน สิ่งนี้เข้าใจได้ง่าย: สนามไฟฟ้าที่กระทำต่ออิเล็กตรอนจากแคโทดและแอโนดกำลังเบรก (ที่แคโทด "บวก" ที่แอโนด "ลบ") และมีขนาดใหญ่มากจนอิเล็กตรอนไม่สามารถเข้าถึงขั้วบวกได้ การจ่ายพลังงานจลน์เริ่มต้นไม่เพียงพอ - อิเล็กตรอนสูญเสียความเร็วเมื่อเข้าใกล้ขั้วบวกและหันกลับไปหาแคโทด พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะน้อยกว่าโมดูลัสของงานสนามเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังขั้วบวก:

โดยที่ kg คือมวลของอิเล็กตรอน C คือประจุของมัน

เราจะค่อยๆเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเช่น เคลื่อนที่จากซ้ายไปขวาตามแนวแกนของค่าลบที่อยู่ห่างไกล

ในตอนแรกยังไม่มีกระแส แต่จุดกลับตัวของอิเล็กตรอนเข้าใกล้ขั้วบวกมากขึ้นเรื่อยๆ สุดท้ายเมื่อถึงแรงดันไฟฟ้าซึ่งเรียกว่า ถือแรงดันไฟฟ้าอิเล็กตรอนจะถอยกลับไปทันทีที่ไปถึงขั้วบวก (หรืออีกนัยหนึ่งคือ อิเล็กตรอนมาถึงขั้วบวกด้วยความเร็วเป็นศูนย์) เรามี:

(1)

ดังนั้น, ขนาดของแรงดันไฟฟ้าหน่วงทำให้สามารถกำหนดพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนได้.

เมื่อแรงดันไฟฟ้าหน่วงเวลาเกินเล็กน้อย โฟโตกระแสอ่อนจะปรากฏขึ้น มันถูกสร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาด้วยพลังงานจลน์สูงสุดเกือบจะตามแนวแกนของกระเปาะ (เช่น เกือบจะตั้งฉากกับแคโทด) ในปัจจุบัน อิเล็กตรอนมีพลังงานเพียงพอที่จะไปถึงขั้วบวกด้วยความเร็วที่ไม่เป็นศูนย์และปิดวงจร อิเล็กตรอนที่เหลือซึ่งมีความเร็วต่ำกว่าหรือลอยออกไปจากขั้วบวก จะไม่ไปถึงขั้วบวก

เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น โฟโตปัจจุบันจะเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจำนวนมากเข้าถึงขั้วบวก โดยหลุดออกจากแคโทดในมุมที่มากขึ้นเรื่อยๆ จนถึงแกนของกระเปาะ โปรดทราบว่าโฟโตปัจจุบันอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์!

เมื่อแรงดันไฟฟ้าถึงค่าบวก กระแสโฟโตปัจจุบันจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง สิ่งนี้เป็นเรื่องที่เข้าใจได้: ขณะนี้สนามไฟฟ้าเร่งอิเล็กตรอน ดังนั้น อิเล็กตรอนจำนวนมากขึ้นจึงมีโอกาสไปสิ้นสุดที่ขั้วบวก อย่างไรก็ตาม โฟโตอิเล็กตรอนยังไม่ถึงทั้งหมดถึงขั้วบวก ตัวอย่างเช่น อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาที่ความเร็วสูงสุดตั้งฉากกับแกนของกระเปาะ (เช่น ตามแนวแคโทด) แม้ว่าสนามจะหมุนไปในทิศทางที่ต้องการ แต่ก็ไม่แรงมากจนชนกับขั้วบวก

ในที่สุด เมื่อค่าแรงดันไฟฟ้าบวกมีขนาดใหญ่เพียงพอ กระแสจะถึงค่าจำกัด เรียกว่า กระแสอิ่มตัวและหยุดเพิ่มขึ้นอีก

ทำไม ความจริงก็คือแรงดันไฟฟ้าที่เร่งอิเล็กตรอนจะสูงมากจนขั้วบวกจับอิเล็กตรอนทั้งหมดที่หลุดออกจากแคโทด - ไปในทิศทางใดก็ตามและด้วยความเร็วเท่าใดก็ตามที่พวกเขาเริ่มเคลื่อนที่ ด้วยเหตุนี้โฟโต้กระแสจึงไม่มีโอกาสที่จะเพิ่มขึ้นอีกต่อไป - ทรัพยากรก็หมดลงแล้ว

กฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

ปริมาณกระแสอิ่มตัวคือจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกผลักออกจากแคโทดในหนึ่งวินาที เราจะเปลี่ยนความเข้มของแสงโดยไม่เปลี่ยนความถี่ ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่ากระแสความอิ่มตัวแปรผันตามสัดส่วนความเข้มของแสง

กฎข้อแรกของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค. จำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกผลักออกจากแคโทดต่อวินาทีนั้นแปรผันตามความเข้มของรังสีที่ตกกระทบบนแคโทด (ที่ความถี่คงที่).

ไม่มีอะไรที่คาดไม่ถึงในเรื่องนี้: ยิ่งรังสีมีพลังงานมากเท่าใด ผลลัพธ์ที่สังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้นเท่านั้น ความลึกลับเริ่มต้นเพิ่มเติม

กล่าวคือ เราจะศึกษาการพึ่งพาพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนกับความถี่และความเข้มของแสงที่ตกกระทบ นี่ไม่ใช่เรื่องยากที่จะทำ: โดยอาศัยสูตร (1) การค้นหาพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่หลุดออกมานั้นจริงๆ แล้วลงมาเพื่อวัดแรงดันไฟฟ้าที่หน่วง

ขั้นแรก เราเปลี่ยนความถี่การแผ่รังสีที่ความเข้มคงที่ ผลลัพธ์ที่ได้คือกราฟเช่นนี้ (รูปที่ 3):

ข้าว. 3. การพึ่งพาพลังงานโฟโตอิเล็กตรอนกับความถี่แสง

อย่างที่เราเห็นมีความถี่หนึ่งที่เรียกว่า ขอบเอฟเฟกต์ภาพถ่ายสีแดงโดยแยกพื้นที่สองส่วนที่แตกต่างกันโดยพื้นฐานบนกราฟ ถ้า แสดงว่าไม่มีเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

ถ้า คลาส = "เท็กซ์" alt = "(! LANG:\nu > \nu_0"> !}จากนั้นพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับความถี่

ในทางกลับกัน เราแก้ไขความถี่และเปลี่ยนความเข้มของแสง หากในเวลาเดียวกันจะไม่เกิดเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกไม่ว่าความเข้มจะเป็นอย่างไร! ความจริงที่น่าประหลาดใจไม่แพ้กันก็ถูกเปิดเผยเมื่อใด คลาส = "เท็กซ์" alt = "(! LANG:\nu > \nu_0"> !}: พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง

ข้อเท็จจริงทั้งหมดนี้สะท้อนให้เห็นในกฎข้อที่สองและสามของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

กฎข้อที่สองของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค. พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับความถี่ของแสงและไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง.

กฎข้อที่สามของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค. สำหรับสารแต่ละชนิด จะมีขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟ็กต์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งเป็นความถี่ต่ำสุดของแสงที่ยังคงสามารถโฟโตอิเล็กทริคได้ เมื่อไม่พบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่ความเข้มแสงใดๆ.

ความยากลำบากในการอธิบายเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคแบบคลาสสิก

โฟโตอิเล็กทริคสามารถอธิบายได้อย่างไรจากมุมมองของไฟฟ้าพลศาสตร์คลาสสิกและแนวคิดคลื่นของแสง

เป็นที่ทราบกันดีว่าในการที่จะเอาอิเล็กตรอนออกจากสารนั้นจำเป็นต้องให้พลังงานบางอย่างแก่มันเรียกว่า ฟังก์ชั่นการทำงานอิเล็กตรอน. ในกรณีของอิเล็กตรอนอิสระในโลหะ นี่คืองานในการเอาชนะสนามไอออนบวกของโครงผลึกซึ่งยึดอิเล็กตรอนไว้ที่ขอบเขตของโลหะ ในกรณีของอิเล็กตรอนที่อยู่ในอะตอม หน้าที่การทำงานคืองานที่ทำเพื่อทำลายพันธะระหว่างอิเล็กตรอนกับนิวเคลียส

ในสนามไฟฟ้ากระแสสลับของคลื่นแสง อิเล็กตรอนเริ่มสั่นคลอน

และถ้าพลังงานการสั่นสะเทือนเกินฟังก์ชันการทำงาน อิเล็กตรอนก็จะถูกดึงออกจากสาร

อย่างไรก็ตามภายในกรอบของแนวคิดดังกล่าว เป็นไปไม่ได้ที่จะเข้าใจกฎข้อที่สองและสามของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค. แท้จริงแล้วเหตุใดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจึงไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของรังสี ท้ายที่สุดแล้ว ยิ่งความเข้มมากขึ้น ความแรงของสนามไฟฟ้าในคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก็จะยิ่งมากขึ้น แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนก็จะยิ่งมากขึ้น พลังงานของการแกว่งก็จะยิ่งมากขึ้น และพลังงานจลน์ที่อิเล็กตรอนจะบินออกจากแคโทดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ตรรกะ? ตรรกะ แต่การทดลองแสดงให้เห็นเป็นอย่างอื่น

ต่อไป ขอบสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคมาจากไหน เกิดอะไรขึ้นกับความถี่ต่ำ? ดูเหมือนว่าเมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้น แรงที่กระทำต่ออิเล็กตรอนก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้นแม้ที่ความถี่แสงต่ำ อิเล็กตรอนก็จะถูกดึงออกจากสารไม่ช้าก็เร็ว - เมื่อความเข้มถึงค่าที่สูงเพียงพอ อย่างไรก็ตาม ขอบเขตสีแดงห้ามมิให้ปล่อยอิเล็กตรอนที่ความถี่ต่ำของการแผ่รังสีตกกระทบโดยเด็ดขาด

ยิ่งไปกว่านั้นยังไม่ชัดเจน ความเฉื่อยเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค กล่าวคือ เมื่อแคโทดส่องสว่างด้วยการแผ่รังสีที่มีความเข้มต่ำโดยพลการ (ที่มีความถี่สูงกว่าขีดจำกัดสีแดง) เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะเริ่มต้นขึ้น ทันที- ในขณะที่ไฟเปิดอยู่ ในขณะเดียวกัน ดูเหมือนว่าอิเล็กตรอนต้องใช้เวลาพอสมควรในการ "คลาย" พันธะที่ยึดพวกมันไว้ในสสาร และเวลาที่ "คลายตัว" นี้ควรจะนานขึ้น แสงที่ตกกระทบก็จะยิ่งอ่อนลง การเปรียบเทียบก็คือ ยิ่งคุณผลักวงสวิงได้อ่อนลงเท่าไร การแกว่งก็จะยิ่งนานขึ้นเท่านั้นถึงแอมพลิจูดที่กำหนด

มันดูสมเหตุสมผลอีกครั้ง แต่ประสบการณ์เป็นเกณฑ์เดียวของความจริงในฟิสิกส์! - ขัดแย้งกับข้อโต้แย้งเหล่านี้

ดังนั้นในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ 19 และ 20 สถานการณ์ทางตันจึงเกิดขึ้นในฟิสิกส์: ไฟฟ้าพลศาสตร์ซึ่งทำนายการมีอยู่ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและทำงานได้อย่างยอดเยี่ยมในช่วงคลื่นวิทยุ ปฏิเสธที่จะอธิบายปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก

ทางออกของทางตันนี้ถูกค้นพบโดย Albert Einstein ในปี 1905 เขาพบสมการง่ายๆ ที่อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค กฎทั้งสามข้อของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคกลายเป็นผลสืบเนื่องจากสมการของไอน์สไตน์

ข้อดีหลักของไอน์สไตน์คือการปฏิเสธความพยายามที่จะตีความเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจากมุมมองของไฟฟ้าไดนามิกแบบคลาสสิก ไอน์สไตน์ใช้สมมติฐานที่ชัดเจนเกี่ยวกับควอนตัม ซึ่งแสดงโดยมักซ์ พลังค์เมื่อห้าปีก่อน

สมมติฐานของพลังค์เกี่ยวกับควอนตัม

อิเล็กโทรไดนามิกส์แบบคลาสสิกปฏิเสธที่จะทำงานไม่เพียงแต่ในด้านเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเท่านั้น นอกจากนี้ยังล้มเหลวอย่างมากเมื่อพวกเขาพยายามใช้มันเพื่ออธิบายการแผ่รังสีของวัตถุที่ได้รับความร้อน (ที่เรียกว่าการแผ่รังสีความร้อน)

สาระสำคัญของปัญหาคือแบบจำลองไฟฟ้าพลศาสตร์ของการแผ่รังสีความร้อนที่เรียบง่ายและเป็นธรรมชาตินำไปสู่ข้อสรุปที่ไม่มีความหมาย: วัตถุที่ได้รับความร้อนใด ๆ ที่แผ่รังสีอย่างต่อเนื่องจะต้องค่อยๆ สูญเสียพลังงานทั้งหมดและทำให้เย็นลงจนเหลือศูนย์สัมบูรณ์ อย่างที่เรารู้ดีไม่มีอะไรสังเกตเลย

ขณะแก้ไขปัญหานี้ Max Planck ได้แสดงสมมติฐานที่มีชื่อเสียงของเขา

สมมติฐานควอนตัม. พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าถูกปล่อยออกมาและดูดซับไม่ต่อเนื่อง แต่อยู่ในส่วนที่แยกจากกันไม่ได้ - ควอนตัม พลังงานควอนตัมเป็นสัดส่วนกับความถี่ของการแผ่รังสี:

(2)

เรียกว่าความสัมพันธ์ (2) สูตรของพลังค์และสัมประสิทธิ์สัดส่วนคือ ค่าคงตัวของพลังค์.

การยอมรับสมมติฐานนี้ทำให้พลังค์สามารถสร้างทฤษฎีการแผ่รังสีความร้อนซึ่งสอดคล้องกับการทดลองได้เป็นอย่างดี ด้วยสเปกตรัมของการแผ่รังสีความร้อนที่ทราบจากประสบการณ์ พลังค์จึงคำนวณค่าคงที่ของเขา:

เจส (3)

ความสำเร็จของสมมติฐานของพลังค์ชี้ให้เห็นว่ากฎของฟิสิกส์คลาสสิกไม่ได้ใช้กับอนุภาคขนาดเล็กเช่นอะตอมหรืออิเล็กตรอน หรือกับปรากฏการณ์ปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสาร แนวคิดนี้ได้รับการยืนยันจากปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค

สมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

สมมติฐานของพลังค์พูดถึงความรอบคอบ รังสีและ เทคโอเวอร์คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งก็คือ เกี่ยวกับธรรมชาติของปฏิกิริยาระหว่างแสงกับสสารที่ไม่ต่อเนื่อง ในเวลาเดียวกันพลังค์ก็เชื่อเช่นนั้น การแพร่กระจายแสงเป็นกระบวนการต่อเนื่องที่เกิดขึ้นตามกฎของไฟฟ้าไดนามิกแบบคลาสสิก

ไอน์สไตน์ก้าวไปไกลกว่านั้น: เขาแนะนำอย่างนั้น โดยหลักการแล้ว แสงมีโครงสร้างที่ไม่ต่อเนื่อง ไม่เพียงแต่การปล่อยและการดูดกลืนแสงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการแพร่กระจายของแสงในส่วนที่แยกจากกันด้วย - ควอนตัมซึ่งมีพลังงาน.

พลังค์ถือว่าสมมติฐานของเขาเป็นเพียงกลอุบายทางคณิตศาสตร์เท่านั้นและไม่กล้าหักล้างไฟฟ้าไดนามิกส์ที่เกี่ยวข้องกับพิภพเล็ก ๆ ควอนต้ากลายเป็นความจริงทางกายภาพต้องขอบคุณไอน์สไตน์

ควอนตัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า (โดยเฉพาะควอนต้าของแสง) ต่อมากลายเป็นที่รู้จักในชื่อ โฟตอน. ดังนั้นแสงจึงประกอบด้วยอนุภาคพิเศษ - โฟตอน ซึ่งเคลื่อนที่ในสุญญากาศด้วยความเร็ว .

โฟตอนของแสงเอกรงค์แต่ละอันที่มีความถี่จะพาพลังงานไป

โฟตอนสามารถแลกเปลี่ยนพลังงานและโมเมนตัมกับอนุภาคของสสาร (โมเมนตัมของโฟตอนจะกล่าวถึงในแผ่นถัดไป) ในกรณีนี้เรากำลังพูดถึง การชนกันโฟตอนและอนุภาค โดยเฉพาะอย่างยิ่งโฟตอนชนกับอิเล็กตรอนของโลหะแคโทด

การดูดกลืนแสงคือการดูดกลืนโฟตอนนั่นคือ ไม่ยืดหยุ่นการชนกันของโฟตอนกับอนุภาค (อะตอม อิเล็กตรอน) โฟตอนจะถ่ายโอนพลังงานไปให้อิเล็กตรอนเมื่อถูกดูดซับเมื่อชนกัน เป็นผลให้อิเล็กตรอนได้รับพลังงานจลน์ทันทีและไม่ค่อยๆ และนี่คือสิ่งที่อธิบายเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กตริกที่ปราศจากความเฉื่อย

สมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน พลังงานโฟตอนไปไหน? ระหว่างการชนแบบไม่ยืดหยุ่นกับอิเล็กตรอน? ใช้ในการทำหน้าที่ดึงอิเล็กตรอนออกจากสารและให้พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน:

(4)

คำนี้กลายเป็น ขีดสุดพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน ทำไมต้องสูงสุด? คำถามนี้ต้องการคำอธิบายเล็กน้อย

อิเล็กตรอนในโลหะสามารถเป็นอิสระหรือถูกผูกมัดได้ อิเล็กตรอนอิสระ “เดิน” ไปทั่วโลหะ ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ “นั่ง” ภายในอะตอมของพวกมัน นอกจากนี้อิเล็กตรอนยังสามารถอยู่ได้ทั้งใกล้พื้นผิวของโลหะและในระดับความลึกของมัน

เป็นที่ชัดเจนว่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะได้รับในกรณีที่โฟตอนชนอิเล็กตรอนอิสระในชั้นผิวของโลหะ - จากนั้นฟังก์ชันการทำงานเพียงอย่างเดียวก็เพียงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกไป

ในกรณีอื่น ๆ ทั้งหมดจะต้องใช้พลังงานเพิ่มเติมเพื่อดึงอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้ออกจากอะตอมหรือเพื่อ "ลาก" อิเล็กตรอนที่อยู่ลึกลงไปที่พื้นผิว

ค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมเหล่านี้จะนำไปสู่ความจริงที่ว่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะน้อยลง

สมการ (4) โดดเด่นด้วยความเรียบง่ายและความชัดเจนทางกายภาพ ประกอบด้วยทฤษฎีทั้งหมดของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก เรามาดูกันว่ากฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคอธิบายได้อย่างไรจากมุมมองของสมการของไอน์สไตน์

1. จำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมานั้นแปรผันตามจำนวนโฟตอนที่ถูกดูดซับ เมื่อความเข้มของแสงเพิ่มขึ้น จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบบนแคโทดต่อวินาทีก็จะเพิ่มขึ้น

ดังนั้นจำนวนโฟตอนที่ถูกดูดซับและจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกกระแทกต่อวินาทีจึงเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน

2. ให้เราแสดงพลังงานจลน์จากสูตร (4):

แท้จริงแล้วพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงตามความถี่ และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง

การพึ่งพาพลังงานจลน์กับความถี่มีรูปแบบของสมการของเส้นตรงที่ผ่านจุดนั้น สิ่งนี้จะอธิบายเส้นทางของกราฟในรูปนี้อย่างสมบูรณ์ 3.

3. เพื่อให้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเริ่มต้นขึ้น พลังงานโฟตอนจะต้องเพียงพอที่จะทำให้ฟังก์ชันการทำงานสมบูรณ์เป็นอย่างน้อย: ความถี่ที่เล็กที่สุดที่กำหนดโดยความเท่าเทียมกัน

นี่จะเป็นขอบสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค ดังที่เราเห็น ขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคนั้นถูกกำหนดโดยฟังก์ชันการทำงานเท่านั้น เช่น ขึ้นอยู่กับสารของพื้นผิวแคโทดที่ถูกฉายรังสีเท่านั้น

ถ้า แล้วจะไม่มีผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริก - ไม่ว่าโฟตอนจะตกลงบนแคโทดจำนวนเท่าใดต่อวินาทีก็ตาม ดังนั้นความเข้มของแสงจึงไม่สำคัญ สิ่งสำคัญคือโฟตอนแต่ละตัวมีพลังงานเพียงพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาหรือไม่

สมการของไอน์สไตน์ (4) ทำให้สามารถทดลองหาค่าคงที่ของพลังค์ได้ ในการดำเนินการนี้ จำเป็นต้องกำหนดความถี่การแผ่รังสีและฟังก์ชันการทำงานของวัสดุแคโทดก่อน รวมทั้งวัดพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน

ในระหว่างการทดลองดังกล่าว จะได้ค่าที่ตรงกับ (3) ทุกประการ ความบังเอิญของผลลัพธ์ของการทดลองอิสระสองครั้ง - ตามสเปกตรัมการแผ่รังสีความร้อนและสมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก - หมายความว่ามีการค้นพบ "กฎของเกม" ใหม่ทั้งหมดตามปฏิสัมพันธ์ของแสงและสสารที่เกิดขึ้น ในพื้นที่นี้ ฟิสิกส์คลาสสิกซึ่งแสดงโดยกลศาสตร์ของนิวตันและไฟฟ้าพลศาสตร์ของแมกซ์เวลเลียนเป็นหนทางให้ ฟิสิกส์ควอนตัม- ทฤษฎีของโลกใบเล็กซึ่งการก่อสร้างยังคงดำเนินต่อไปจนถึงทุกวันนี้

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอก (เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก) เป็นปรากฏการณ์ของการปล่อยอิเล็กตรอนจากสารภายใต้อิทธิพลของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและโดยเฉพาะแสง(ด้วยเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายใน เมื่อรังสีตกกระทบถูกดูดซับ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้นและคงเหลืออยู่ภายในสสาร)

แผนภาพที่ง่ายที่สุดสำหรับการสังเกตเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะแสดงในรูปที่ 1

แสงที่ลอดผ่านหน้าต่างเข้าสู่ขวดแก้วสุญญากาศและตกลงบนแผ่นโลหะที่ทำหน้าที่เป็นแคโทด (โฟโตแคโทด)

เนื่องจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก อิเล็กตรอน (โฟโตอิเล็กตรอน) จะถูกปล่อยออกมาจากแคโทด ซึ่งจะเคลื่อนที่ไปยังขั้วบวกภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างแคโทดและขั้วบวก อิเล็กตรอนไปถึงขั้วบวกและมีกระแสไฟฟ้าปรากฏขึ้นในวงจร ฉัน ฉซึ่งถูกบันทึกด้วยกัลวาโนมิเตอร์ ช. แรงดันไฟฟ้า ยู ระหว่างแคโทดและแอโนดจะถูกปรับโดยใช้โพเทนชิออมิเตอร์ รและวัดด้วยโวลต์มิเตอร์ วี. เมื่อใช้วงจรนี้จะวัดลักษณะแรงดันไฟฟ้ากระแสของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (CVC) - การพึ่งพาความแรงของโฟโตปัจจุบันกับแรงดันไฟฟ้าระหว่างแคโทดและแอโนด คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบันสองค่าสำหรับค่าการส่องสว่างโฟโตแคโทดสองค่า และ แสดงในรูปที่ 2

จากเส้นโค้งเราจะเห็นว่าที่แรงดันไฟฟ้าเป็นศูนย์ กระแสโฟโตปัจจุบันจะไม่เป็นศูนย์ ซึ่งหมายความว่าเมื่อ ยู =0 โฟโตอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาบางส่วนจะไปถึงขั้วบวก ในการลดกระแสโฟโตปัจจุบันให้เป็นศูนย์ จำเป็นต้องใช้ความต่างศักย์ไฟฟ้าแบบหน่วงเวลา (- ยู ซี ). พร้อมความสว่างที่เพิ่มขึ้น อีโฟโตแคโทดความแรงของโฟโตปัจจุบันจะเพิ่มขึ้นลักษณะแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันจะสูงกว่าคุณสมบัติก่อนหน้า ที่แรงดันไฟฟ้าเท่ากับ ยู เรา(แรงดันไฟฟ้าอิ่มตัว) โฟโตปัจจุบันถึงความอิ่มตัว - ฉัน เรา . ซึ่งหมายความว่าที่แรงดันไฟฟ้าระหว่างแคโทดและแอโนด อิเล็กตรอนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแคโทดจะไปถึงขั้วบวก จากการวิเคราะห์คุณลักษณะแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน กฎการทดลองต่อไปนี้ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (กฎของสโตเลตอฟ) ได้ถูกสร้างขึ้น

1. ความแรงของโฟโตกระแสอิ่มตัวเป็นสัดส่วนกับการส่องสว่างของโฟโตแคโทด (หรือความเข้มของแสงตกกระทบ) ที่ความถี่แสง v = const

=
, (2)

โดยที่ γ คือสัมประสิทธิ์สัดส่วน

2. ความเร็วเริ่มต้นสูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน (หรือพลังงานจลน์สูงสุด) ไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงที่ตกกระทบและเพิ่มขึ้นตามความถี่ของแสง

3. สำหรับแต่ละสารจะมีความถี่ขั้นต่ำ ν 0 (หรือความยาวคลื่นสูงสุด แล 0 ) ซึ่งอิเล็กตรอนยังคงถูกขับออกมา หากความถี่แสงน้อยกว่า ν 0 จากนั้นเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะหยุดลง ความถี่นี้เรียกว่า “ขีดจำกัดสีแดง” ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค.

ดังนั้นในการสังเกตเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจึงจำเป็นต้องปฏิบัติตามเงื่อนไขต่อไปนี้: ν ν 0 (λ λ 0).

รูปแบบที่สังเกตได้จากการทดลองของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคกลายเป็นสิ่งที่ไม่สามารถอธิบายได้จากตำแหน่งของแนวคิดแบบคลาสสิกหรือแบบคลื่น ตัวอย่างเช่น ความเป็นอิสระของความเร็วการปล่อยโฟโตอิเล็กตรอนจากความเข้มของแสง เนื่องจากเมื่อความเข้มของคลื่นแสงตกกระทบเพิ่มขึ้น พลังงานจึงควรถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนมากขึ้น นอกจากนี้ยังเป็นไปไม่ได้ที่จะอธิบายธรรมชาติที่ปราศจากความเฉื่อยของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกและการมีอยู่ของ "ขอบเขตสีแดง"

เอ. ไอน์สไตน์ให้คำอธิบายเชิงคุณภาพและสม่ำเสมอเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคตามทฤษฎีควอนตัมของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่เขาเสนอ ตามทฤษฎีนี้ ควอนตัมแสง (โฟตอน) มีพฤติกรรมเหมือนอนุภาคของวัตถุ การแผ่รังสีเอกรงค์เดียวที่เกิดขึ้นถือเป็นกระแสของโฟตอนควอนตาแสงที่มีพลังงาน E =hν. การดูดกลืนแสงโดยสสารนั้นเกิดจากการที่โฟตอนหนึ่งถ่ายโอนพลังงานทั้งหมดไปยังอิเล็กตรอนของสสารหนึ่งตัว หากพลังงานโฟตอนเพียงพอที่จะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพันธะที่ยึดมันไว้ภายในสาร ก็จะเกิดการเปล่งอิเล็กตรอนขึ้น ดังนั้นจำนวนโฟโตอิเล็กตรอนควรเป็นสัดส่วนกับจำนวนโฟตอนที่ถูกดูดซับ (ซึ่งสอดคล้องกับกฎข้อแรกของสโตเลตอฟ) พลังงานโฟตอน hνเพิ่มขึ้นตามความถี่ ν ดังนั้นพลังงานโฟโตอิเล็กตรอนจึงควรเพิ่มขึ้นตามความถี่ของแสงตกกระทบซึ่งสอดคล้องกับการทดลองด้วย พลังงานโฟตอนที่ได้รับจากอิเล็กตรอนของสารจะถูกกระจายใหม่ดังนี้ พลังงานส่วนหนึ่งเรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน กใช้ในการปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกจากพันธะที่ยึดมันไว้ภายในโลหะ หากโฟตอนถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนไม่ได้อยู่ที่พื้นผิวของโลหะ แต่อยู่ที่ระดับความลึกระดับหนึ่ง พลังงานโฟตอนส่วนหนึ่งจะเท่ากับ อี การสูญเสีย , สามารถกระเจิงได้เนื่องจากการชนกันของอิเล็กตรอนแบบสุ่มในสสาร พลังงานที่เหลือจะเกิดเป็นพลังงานจลน์ ถึงอิเล็กตรอนออกจากสาร ดังนั้น

hν= A + E การสูญเสีย + เค (3)

สำหรับอิเล็กตรอนเหล่านั้นซึ่ง อี การสูญเสีย = 0 พลังงานจลน์จะเป็นไปได้สูงสุดที่ ก = ค่าคงที่สำหรับโลหะที่กำหนด สำหรับอิเล็กตรอนดังกล่าวเราจะเขียนความเท่าเทียมกัน (3) ใหม่ในรูปแบบ

(4)

สำนวนนี้เรียกว่าสมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอก มันทำหน้าที่เป็นกฎการอนุรักษ์พลังงานสำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

กฎการทดลองของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคที่กล่าวถึงข้างต้นเป็นไปตามสมการของไอน์สไตน์ ตัวอย่างเช่นจากสูตร (4) กฎข้อที่สองของ Stoletov จะตามมาโดยตรง

= hν – A (A= const)

จากสมการ (4) จะได้ว่า ถ้าเราลดความถี่ของแสงที่ตกกระทบลง โวลต์, จากนั้นพลังงานโฟตอนก็จะลดลง
ก็จะมีตามนั้น พลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนจะลดลงเมื่อ ก = ค่าคงที่ สำหรับโลหะที่กำหนด จากนั้นที่ค่าหนึ่งของความถี่แสง โวลต์ = พลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอนจะกลายเป็นศูนย์ และเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจะหยุดลง จากนั้นจากสมการ (4) จะเป็นดังนี้

ชม. = ก+ 0,

= (5)

นั่นคือมีความถี่ตัดทอนที่แน่นอน (“ขีดจำกัดสีแดง”) ของแสงตกกระทบ ซึ่งแสงต่ำกว่านั้นไม่ทำให้เกิดเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ข้อสรุปนี้เป็นไปตามกฎข้อที่สามเชิงประจักษ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

นิพจน์ (5) กำหนดการเชื่อมต่อระหว่างขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคและฟังก์ชันการทำงาน ฟังก์ชั่นการทำงานของอิเล็กตรอนจากโลหะนั้นขึ้นอยู่กับสถานะของพื้นผิวโลหะอย่างมาก เช่น ออกไซด์และก๊าซดูดซับที่อยู่บนพื้นผิว ดังนั้นจึงไม่สามารถตรวจสอบสูตรของไอน์สไตน์ได้อย่างแม่นยำเพียงพอมาเป็นเวลานาน

ลักษณะสำคัญอีกประการหนึ่งของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคคือความไวสเปกตรัมของโฟโตแคโทดซึ่งแสดงให้เห็นถึงการพึ่งพาความไวของแคโทด
จากความยาวคลื่น เหตุการณ์การแผ่รังสีบนโฟโตแคโทด ปริมาณที่แปรผันตามความไวของโฟโตแคโทดคือโฟโตปัจจุบัน ดังนั้น ในทางปฏิบัติ เพื่อให้ได้คุณลักษณะทางสเปกตรัม จึงเป็นไปได้ที่จะวัดการพึ่งพาโฟโตปัจจุบันกับความยาวคลื่น (หรือความถี่) ของรังสีเอกรงค์ที่ตกกระทบบนโฟโตเซลล์ (หรือโฟโตแคโทด) ที่ความยาวคลื่นยาว กล่าวคือ ที่พลังงานควอนตัมแสงต่ำ พลังงานที่ได้รับจากอิเล็กตรอนไม่เพียงพอที่จะเอาชนะฟังก์ชันการทำงานและการปล่อยอิเล็กตรอนเข้าสู่สุญญากาศ ดังนั้น สำหรับโลหะแต่ละชนิดจะมีความยาวคลื่นตามเกณฑ์ (สูงสุด แล 0 = แล สูงสุด) หรือความถี่ตามเกณฑ์ (น้อยที่สุด ν 0 = ν สูงสุด) ซึ่งเรากำหนดไว้ข้างต้นว่าเป็น “ขีดจำกัดสีแดง” ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค ที่ความยาวคลื่นสั้น อัตราการดูดซับจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นความลึกของการแทรกซึมของควอนตัมแสงเข้าไปในโลหะจึงลดลง และความน่าจะเป็นในการถ่ายโอนพลังงานของควอนตัมแสงไปยังอิเล็กตรอนอิสระของโลหะก็ลดลง ดังนั้น ลักษณะสเปกตรัมจึงมีรูปแบบของเส้นโค้งที่มีค่าสูงสุด โดยจะลดลงที่ความยาวคลื่นสั้น (รูปที่ 3)

สารต่างๆ มีฟังก์ชันการทำงานที่แตกต่างกัน ดังนั้น คุณลักษณะสเปกตรัมสูงสุดของโฟโตแคโทดอาจอยู่ในส่วนหนึ่งหรือส่วนอื่นของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

ดังนั้นตาแมวที่ใช้ในงานห้องปฏิบัติการจึงเป็นเครื่องตรวจจับแสงแบบเลือกสรรนั่นคือ "สัมผัส" รังสีในบริเวณสเปกตรัมที่กำหนดอย่างเคร่งครัดตั้งแต่ แลม 1 ถึง แลมบ์ 2

กฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอก

นอกจากการแผ่รังสีความร้อนแล้ว ปรากฏการณ์ที่ไม่สอดคล้องกับกรอบของฟิสิกส์คลาสสิกก็คือเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กตริก

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอกคือปรากฏการณ์การปล่อยอิเล็กตรอนโดยสารเมื่อถูกฉายรังสีด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคถูกค้นพบโดย Hertz ในปี 1887 เขาสังเกตเห็นว่าประกายไฟระหว่างลูกบอลสังกะสีจะดีขึ้นหากช่องว่างระหว่างสปาร์คถูกฉายรังสีด้วยแสง สโตเลตอฟศึกษากฎของโฟโตอิเล็กทริคภายนอกในปี พ.ศ. 2431 แผนภาพสำหรับศึกษาเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1.

แคโทดและแอโนดอยู่ในหลอดสุญญากาศเนื่องจากการปนเปื้อนของพื้นผิวโลหะเล็กน้อยส่งผลต่อการปล่อยอิเล็กตรอน แคโทดจะส่องสว่างด้วยแสงสีเดียวผ่านหน้าต่างควอตซ์ (ควอตซ์ไม่เหมือนกระจกธรรมดาที่ส่งผ่านแสงอัลตราไวโอเลต) แรงดันไฟฟ้าระหว่างขั้วบวกและแคโทดจะถูกปรับโดยโพเทนชิออมิเตอร์และวัดด้วยโวลต์มิเตอร์ แบตเตอรี่สองก้อนและเชื่อมต่อเข้าหากันทำให้คุณสามารถเปลี่ยนค่าและสัญลักษณ์ของแรงดันไฟฟ้าได้โดยใช้โพเทนชิออมิเตอร์ ความแรงของโฟโตปัจจุบันวัดโดยกัลวาโนมิเตอร์

ในรูปที่ 2 เส้นโค้งแสดงความขึ้นอยู่กับความแรงของโฟโตปัจจุบันกับแรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกับการส่องสว่างของแคโทดที่แตกต่างกันและ () ความถี่ของแสงจะเท่ากันในทั้งสองกรณี

ที่ไหน และ คือประจุและมวลของอิเล็กตรอน

เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น โฟโตปัจจุบันจะเพิ่มขึ้นเมื่อโฟโตอิเล็กตรอนเข้าถึงขั้วบวกมากขึ้น ค่าสูงสุดของโฟโตปัจจุบันเรียกว่าโฟโตปัจจุบันอิ่มตัว มันสอดคล้องกับค่าแรงดันไฟฟ้าที่อิเล็กตรอนทั้งหมดที่หลุดออกมาจากแคโทดไปถึงขั้วบวก: โดยที่คือจำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากแคโทดใน 1 วินาที

Stoletov ได้ทำการทดลองกฎต่อไปนี้ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค:

ความยากลำบากร้ายแรงเกิดขึ้นในการอธิบายกฎข้อที่สองและสาม ตามทฤษฎีแม่เหล็กไฟฟ้า การผลักอิเล็กตรอนอิสระออกจากโลหะควรเป็นผลมาจาก "การแกว่ง" ของพวกมันในสนามไฟฟ้าของคลื่น จึงไม่ชัดเจนว่าทำไมความเร็วสูงสุดของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจึงขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง และไม่ขึ้นอยู่กับความกว้างของการแกว่งของเวกเตอร์ความแรงของสนามไฟฟ้าและความเข้มของคลื่นที่เกี่ยวข้อง ความยากลำบากในการตีความกฎข้อที่สองและสามของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกทำให้เกิดข้อสงสัยเกี่ยวกับการบังคับใช้ทฤษฎีคลื่นแสงในระดับสากล

สมการของไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

ในปี 1905 ไอน์สไตน์อธิบายกฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกโดยใช้ทฤษฎีควอนตัมที่เขาเสนอ แสงไม่เพียงถูกปล่อยออกมาตามความถี่ดังที่พลังค์สันนิษฐานไว้เท่านั้น แต่ยังถูกดูดซับโดยสสารในบางส่วน (ควอนตัม) ด้วย แสงคือกระแสของควอนตัมแสงแยก (โฟตอน) ที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง พลังงานควอนตัมมีค่าเท่ากับ ควอนตัมแต่ละตัวถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวเท่านั้น ดังนั้นจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจะต้องเป็นสัดส่วนกับความเข้มของแสง (กฎข้อที่ 1 ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค)

พลังงานของโฟตอนตกกระทบถูกใช้ไปกับอิเล็กตรอนเพื่อทำหน้าที่แยกโลหะและให้พลังงานจลน์แก่โฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา:

(2)

สมการ (2) เรียกว่าสมการไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอก สมการของไอน์สไตน์อธิบายกฎข้อที่สองและสามของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค โดยเป็นไปตามสมการ (2) โดยตรงว่าพลังงานจลน์สูงสุดจะเพิ่มขึ้นตามความถี่ของแสงตกกระทบที่เพิ่มขึ้น เมื่อความถี่ลดลง พลังงานจลน์จะลดลง และที่ความถี่หนึ่ง พลังงานจะเท่ากับศูนย์ และเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะหยุด () จากที่นี่

จำนวนโฟตอนที่ดูดซับอยู่ที่ไหน

ในกรณีนี้ ขอบเขตสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจะเลื่อนไปทางความถี่ต่ำ:

.

(5)

นอกจากเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายนอกแล้ว ยังรู้จักเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกภายในอีกด้วย เมื่อสารกึ่งตัวนำและไดอิเล็กตริกที่เป็นของแข็งและของเหลวถูกฉายรังสี อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่จากสถานะที่ถูกผูกไว้ไปสู่สถานะอิสระ แต่จะไม่บินออกไป การมีอิเล็กตรอนอิสระทำให้เกิดโฟโตคอนดักเตอร์ การนำแสงคือการเพิ่มการนำไฟฟ้าของสารภายใต้อิทธิพลของแสง

โฟตอนและคุณสมบัติของมัน

ปรากฏการณ์ของการรบกวน การเลี้ยวเบน และโพลาไรเซชันสามารถอธิบายได้ด้วยคุณสมบัติคลื่นของแสงเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริกและการแผ่รังสีความร้อนเป็นเพียงการทำงานของร่างกายเท่านั้น (เมื่อพิจารณาจากแสงเป็นฟลักซ์ของโฟตอน) คำอธิบายคลื่นและควอนตัมของคุณสมบัติของแสงช่วยเสริมซึ่งกันและกัน แสงเป็นทั้งคลื่นและอนุภาค สมการพื้นฐานที่สร้างความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติคลื่นและร่างกายมีดังนี้:

(7)

และเป็นปริมาณที่มีลักษณะเฉพาะของอนุภาคและเป็นคลื่น

เราพบมวลโฟตอนจากความสัมพันธ์ (6): .

โฟตอนเป็นอนุภาคที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงเสมอและมีมวลนิ่งเป็นศูนย์ โมเมนตัมโฟตอนเท่ากับ:

เอฟเฟกต์คอมป์ตัน

คุณสมบัติทางร่างกายที่สมบูรณ์ที่สุดจะปรากฏในเอฟเฟกต์คอมป์ตัน ในปี 1923 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน คอมป์ตัน ศึกษาการกระเจิงของรังสีเอกซ์ด้วยพาราฟิน ซึ่งมีอะตอมเป็นแสง

จากมุมมองของคลื่น การกระเจิงของรังสีเอกซ์เกิดจากการบังคับสั่นสะเทือนของอิเล็กตรอนของสสาร ดังนั้นความถี่ของแสงที่กระจัดกระจายจะต้องตรงกับความถี่ของแสงที่ตกกระทบ อย่างไรก็ตาม พบความยาวคลื่นที่ยาวกว่าในแสงที่กระจัดกระจาย ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ที่กระเจิงและวัสดุของสสารที่กระเจิง แต่ขึ้นอยู่กับทิศทางของการกระเจิง อนุญาต เป็นมุมระหว่างทิศทางของลำแสงปฐมภูมิกับทิศทางของแสงที่กระเจิงแล้ว ที่ไหน (ม.)

กฎนี้ใช้ได้กับอะตอมแสง ( , , , ) ที่มีอิเล็กตรอนจับกับนิวเคลียสอย่างอ่อน กระบวนการกระเจิงสามารถอธิบายได้โดยการชนกันแบบยืดหยุ่นของโฟตอนกับอิเล็กตรอน เมื่อสัมผัสกับรังสีเอกซ์ อิเล็กตรอนจะถูกแยกออกจากอะตอมได้ง่าย ดังนั้นจึงพิจารณาการกระเจิงด้วยอิเล็กตรอนอิสระได้ โฟตอนที่มีโมเมนตัมชนกับอิเล็กตรอนที่อยู่นิ่งและให้พลังงานเป็นส่วนหนึ่งของพลังงาน และตัวมันเองก็ได้รับโมเมนตัม (รูปที่ 3)

รูปที่ 3

เมื่อใช้กฎการอนุรักษ์พลังงานและโมเมนตัมเพื่อให้เกิดผลกระทบที่ยืดหยุ่นอย่างยิ่ง เราได้นิพจน์ต่อไปนี้: ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกับการทดลองในขณะที่ ซึ่งพิสูจน์ทฤษฎีเกี่ยวกับแสงในร่างกาย

การเรืองแสง การเรืองแสงด้วยแสง และหลักการพื้นฐานของมัน

การเรืองแสงคือการแผ่รังสีที่ไม่สมดุลซึ่งมีมากเกินไปที่อุณหภูมิที่กำหนดเหนือการแผ่รังสีความร้อน การเรืองแสงเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของอิทธิพลภายนอกที่ไม่ได้เกิดจากความร้อนของร่างกาย นี่คือแสงเย็น ขึ้นอยู่กับวิธีการกระตุ้นพวกเขามีความโดดเด่น: photoluminescence (ภายใต้อิทธิพลของแสง), chemiluminescence (ภายใต้อิทธิพลของปฏิกิริยาเคมี), cathodoluminescence (ภายใต้อิทธิพลของอิเล็กตรอนเร็ว) และ electroluminescence (ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้า) .

การเรืองแสงที่หยุดทันทีหลังจากการหายไปของอิทธิพลภายนอกเรียกว่าการเรืองแสง หากการเรืองแสงหายไปภายใน s หลังจากสิ้นสุดการเปิดรับแสง จะเรียกว่าเรืองแสง

สารที่เรืองแสงเรียกว่าสารเรืองแสง ซึ่งรวมถึงสารประกอบของยูเรเนียม ธาตุหายาก และระบบคอนจูเกตซึ่งมีพันธะสลับกันเป็นสารประกอบอะโรมาติก ได้แก่ ฟลูออเรสซีน เบนซีน แนฟทาลีน แอนทราซีน

แสงเรืองแสงเป็นไปตามกฎของสโตกส์: ความถี่ของแสงที่น่าตื่นเต้นนั้นมากกว่าความถี่ที่ปล่อยออกมา โดยที่เป็นส่วนหนึ่งของพลังงานที่ถูกดูดซับซึ่งกลายเป็นความร้อน

ลักษณะสำคัญของการเรืองแสงคือผลผลิตควอนตัมเท่ากับอัตราส่วนของจำนวนควอนตัมที่ดูดซับต่อจำนวนควอนตัมที่ปล่อยออกมา มีสารบางประเภทที่มีผลผลิตควอนตัมใกล้เคียงกับ 1 (เช่น ฟลูออเรสซีน) แอนทราซีนมีผลผลิตควอนตัมเท่ากับ 0.27

ปรากฏการณ์เรืองแสงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในทางปฏิบัติ ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์การเรืองแสงเป็นวิธีการหนึ่งในการกำหนดองค์ประกอบของสสารตามลักษณะการเรืองแสงของมัน วิธีการนี้มีความไวมาก (ประมาณ ) ในการตรวจจับสิ่งเจือปนในปริมาณเล็กน้อย และใช้สำหรับการวิจัยที่แม่นยำในสาขาเคมี ชีววิทยา การแพทย์ และอุตสาหกรรมอาหาร

การตรวจจับข้อบกพร่องเรืองแสงช่วยให้คุณตรวจจับรอยแตกร้าวที่ดีที่สุดบนพื้นผิวของชิ้นส่วนเครื่องจักร (พื้นผิวที่กำลังตรวจสอบถูกเคลือบด้วยสารละลายเรืองแสง ซึ่งหลังจากนำออกแล้วจะยังคงอยู่ในรอยแตก)

ฟอสฟอรัสใช้ในหลอดฟลูออเรสเซนต์ เป็นสื่อแอคทีฟของเครื่องกำเนิดควอนตัมเชิงแสง และใช้ในตัวแปลงอิเล็กตรอน-ออปติคัล ใช้ทำไฟส่องสว่างให้กับอุปกรณ์ต่างๆ

หลักการทางกายภาพของอุปกรณ์มองกลางคืน

พื้นฐานของอุปกรณ์คือตัวแปลงอิเล็กตรอน - ออปติคอล (EOC) ซึ่งจะแปลงภาพของวัตถุในรังสีอินฟราเรดที่ตามองไม่เห็นให้เป็นภาพที่มองเห็นได้ (รูปที่ 4)

รูปที่ 4.

1 – โฟโตแคโทด, 2 – เลนส์อิเล็กตรอน, 3 – หน้าจอเรืองแสง,

การแผ่รังสีอินฟราเรดจากวัตถุทำให้เกิดการแผ่รังสีโฟโตอิเล็กตรอนจากพื้นผิวของโฟโตแคโทด และปริมาณการแผ่รังสีจากส่วนต่างๆ ของวัตถุหลังจะเปลี่ยนไปตามการกระจายความสว่างของภาพที่ฉายลงบนวัตถุ โฟโตอิเล็กตรอนจะถูกเร่งด้วยสนามไฟฟ้าในพื้นที่ระหว่างโฟโตแคโทดและจอภาพ ซึ่งโฟกัสโดยเลนส์อิเล็กตรอนและถล่มจอภาพ ทำให้เกิดการเรืองแสง ความเข้มของการเรืองแสงของแต่ละจุดของหน้าจอขึ้นอยู่กับความหนาแน่นของฟลักซ์ของโฟโตอิเล็กตรอน ซึ่งส่งผลให้ภาพของวัตถุที่มองเห็นปรากฏบนหน้าจอ

ทฤษฎี

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคคือการขับอิเล็กตรอนออกจากสารภายใต้อิทธิพลของแสง ในโลหะ อิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างอิสระ แต่เมื่อมันออกจากพื้นผิว โลหะเองก็จะมีประจุเป็นประจุบวกและป้องกันไม่ให้หลุดออกไป ดังนั้นในการที่จะออกจากโลหะได้อิเล็กตรอนจะต้องมีพลังงานเพิ่มเติมขึ้นอยู่กับสารนั้น พลังงานนี้เรียกว่าฟังก์ชันการทำงาน

หากต้องการศึกษาเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค คุณสามารถประกอบการตั้งค่าที่แสดงในรูปที่ 1 1. ประกอบด้วยกระบอกแก้วที่ใช้สูบลมออก หน้าต่างที่แสงตกกระทบทำจากแก้วควอทซ์ซึ่งส่งรังสีที่มองเห็นได้และรังสีอัลตราไวโอเลต อิเล็กโทรดสองตัวถูกบัดกรีภายในกระบอกสูบ โดยหนึ่งในนั้นคือแคโทดที่ส่องสว่างผ่านหน้าต่าง ระหว่างอิเล็กโทรด แหล่งกำเนิดจะสร้างสนามไฟฟ้า ซึ่งทำให้โฟโตอิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากแคโทดไปยังแอโนด

อิเล็กตรอนที่กำลังเคลื่อนที่ก่อให้เกิดกระแสไฟฟ้า (โฟโตปัจจุบัน) เมื่อแรงดันเปลี่ยน กระแสก็เปลี่ยน กราฟการพึ่งพา ฉันจาก ยู- ลักษณะแรงดันกระแส - แสดงในรูป 2. ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำ อิเล็กตรอนบางตัวที่ถูกปล่อยออกมาจากแคโทดไม่ได้ไปถึงขั้วบวก เมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้น จำนวนของพวกมันก็จะเพิ่มขึ้น ที่แรงดันไฟฟ้าระดับหนึ่ง อิเล็กตรอนทั้งหมดที่ปล่อยออกมาจากแสงจะไปถึงขั้วบวก จากนั้นจึงเกิดกระแสไฟฟ้าอิ่มตัว ในเมื่อแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นอีก กระแสไฟฟ้าจะไม่เปลี่ยนแปลง

เมื่อความเข้มของการแผ่รังสีตกกระทบเพิ่มขึ้น กระแสอิ่มตัวจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมา กฎข้อที่ 1 ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคระบุว่าจำนวนอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจากพื้นผิวโลหะด้วยแสงจะเป็นสัดส่วนกับพลังงานที่ดูดซับของคลื่นแสง

ในการวัดพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน คุณจำเป็นต้องเปลี่ยนขั้วของแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า บนกราฟกรณีนี้สอดคล้องกับส่วนที่ U โดยที่โฟโตปัจจุบันลดลงเหลือศูนย์ ตอนนี้สนามไม่ได้เร่ง แต่โฟโตอิเล็กตรอนจะช้าลง ที่แรงดันไฟฟ้าระดับหนึ่งเรียกว่าดีเลย์ ยู 3กระแสแสงจะหายไป ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนทั้งหมดจะถูกหยุดที่สนาม จากนั้นสนามจะส่งพวกมันกลับไปยังแคโทดเดิม เช่นเดียวกับที่ก้อนหินที่ถูกขว้างขึ้นไปจะถูกหยุดโดยสนามโน้มถ่วงของโลกและกลับมายังโลกอีกครั้ง

งานของแรงสนามไฟฟ้า ก = คยู 3ซึ่งใช้ในการเบรกอิเล็กตรอนจะเท่ากับการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนนั่นเอง มโวลต์ 2/2 = คยู 3, ที่ไหน ม- มวลอิเล็กตรอน v - ความเร็วของมัน ถาม- ค่าใช้จ่าย. กล่าวคือโดยการวัดแรงดันดีเลย์ ยู 3เรากำหนดพลังงานจลน์สูงสุด ปรากฎว่าพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง แต่ขึ้นอยู่กับความถี่เท่านั้น ข้อความนี้เรียกว่ากฎข้อที่ 2 ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

ที่ความถี่จุดตัดของแสงซึ่งขึ้นอยู่กับสารเฉพาะ และที่ความถี่ต่ำกว่า จะไม่พบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ความถี่คัตออฟนี้เรียกว่าคัตออฟ "สีแดง" ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

ก. ไอน์สไตน์อธิบายกฎของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกในปี 1905 เขาใช้แนวคิดของพลังค์เกี่ยวกับธรรมชาติของควอนตัมของแสง พลังงานของแสงหนึ่งควอนตัม E = hν. ถ้าเราสมมติว่าแสงหนึ่งควอนตัมผลักอิเล็กตรอนออกมาหนึ่งตัว ก็จะเป็นพลังงานของควอนตัมนั้น อีไปทำหน้าที่การทำงานของอิเล็กตรอน กและสื่อสารพลังงานจลน์แก่เขา เอ็มวี 2 /2. นั่นคือ

hν = A + mv 2 /2.

สมการนี้เรียกว่าสมการไอน์สไตน์สำหรับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

เราจะอธิบายกฎข้อที่ 1 ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคจากมุมมองของแนวคิดของไอน์สไตน์ หากควอนตัมพลังงานหนึ่งปล่อยอิเล็กตรอนหนึ่งตัวออกมา ยิ่งควอนตัมสสารดูดซับได้มากขึ้น (ความเข้มของแสงก็จะยิ่งมากขึ้น) อิเล็กตรอนก็จะบินออกจากสสารมากขึ้นเท่านั้น

ให้เราอธิบายกฎข้อที่สองของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค ฟังก์ชั่นการทำงาน กขึ้นอยู่กับชนิดของสารและไม่ขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจากสสารคือ mv 2 /2=ชม - อขึ้นอยู่กับความถี่ของแสง ν : ยิ่งความถี่สูง อิเล็กตรอนก็จะยิ่งได้รับพลังงานจลน์มากขึ้น ความเข้มของแสงไม่ส่งผลต่อพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน เนื่องจากสมการของไอน์สไตน์อธิบายพลังงานของอิเล็กตรอนตัวเดียว ไม่ว่าจะปล่อยอิเล็กตรอนออกมากี่ตัว ความเร็วของอิเล็กตรอนแต่ละตัวก็ขึ้นอยู่กับความถี่

สูตรของไอน์สไตน์ยังอธิบายข้อเท็จจริงที่ว่าแสงในความถี่ที่กำหนดสามารถดึงอิเล็กตรอนออกจากสารหนึ่งได้ แต่ไม่สามารถดึงออกจากอีกสารหนึ่งได้ สำหรับสารแต่ละชนิด จะสังเกตผลของโฟโตอิเล็กทริกได้หากพลังงานของควอนตัมแสงมากกว่าหรือในกรณีที่รุนแรง เท่ากับฟังก์ชันการทำงาน ( hν ≥ A). ความถี่จำกัดที่เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคยังคงเป็นไปได้คือ ν นาที = A/ชม. นี่คือความถี่ที่อิเล็กตรอนถูกดีดออกมาโดยไม่ให้พลังงานจลน์แก่พวกมัน - ความถี่ของ "ขีดจำกัดสีแดง" ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค

ให้เราเขียนสมการของไอน์สไตน์สำหรับกรณีที่พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนมีขนาดเท่ากันกับการทำงานของแรงสนามไฟฟ้า นั่นคือที่แรงดันไฟฟ้าที่หน่วง:

hν = A + qU 3.

จากที่นี่ U 3 = -A/q + (h/q)ν

เรามาพล็อตการพึ่งพาแรงดันไฟฟ้าหน่วงเวลากับความถี่ (รูปที่ 3) จากสูตรจะเห็นได้ชัดเจนว่าต้องพึ่งพาอาศัยกัน ยู 3จาก ν เป็นเส้นตรง แทนเจนต์ของความชันของกราฟ:

tg α = ΔU 3 /Δν = h/q.

ดังนั้นค่าคงที่ของพลังค์:

h = qtg α = q ΔU 3 /Δν

สูตรนี้ใช้ทดลองหาค่าคงที่ของพลังค์