Нравится изображение, но нужно всего лишь несколько модификаций? Пусть наши талантливые художники сделают всю работу за вас!

Мы свяжем вас с дизайнером, который сможет внести изменения и отправить вам изображение в выбранном вами формате.

Примеры

• Изменить текст
• Изменить цвета
• Изменить размер до новых размеров
• Включить логотип или символ
• Добавьте название своей компании или компании

Включенные файлы

Подробности загрузки. ..

• Идентификатор изображения

  4304436

• Цветовой режим

  RGB

• Художник

  робуарт

Фотоэлектрический эффект | Определение, примеры и приложения

Ключевые люди:

Альберт Эйнштейн Роберт Милликен Филипп Ленард

Похожие темы:

фотопроводимость фотоэлектрон фотоэлектрическая пороговая частота фотоэлектрическая работа выхода Отношение Эйнштейна

Просмотреть весь связанный контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

Рассмотрим, как открытие Генрихом Герцем фотоэлектрического эффекта привело к теории света Альберта Эйнштейна

фотоэлектрический эффект , явление, при котором электрически заряженные частицы высвобождаются из материала или внутри него, когда он поглощает электромагнитное излучение. Эффект часто определяют как выброс электронов из металлической пластины, когда на нее падает свет. В более широком определении лучистой энергией может быть инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи или гамма-лучи; материал может быть твердым, жидким или газообразным; и высвобождаемые частицы могут быть ионами (электрически заряженными атомами или молекулами), а также электронами. Это явление имело фундаментальное значение для развития современной физики из-за загадочных вопросов, которые оно поднимало о природе света — поведение частиц в сравнении с поведением волн, — которые были окончательно решены Альбертом Эйнштейном в 1919 г.05. Эффект остается важным для исследований в областях от материаловедения до астрофизики, а также служит основой для множества полезных устройств.

Открытие и ранние работы

Фотоэффект был открыт в 1887 году немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем. В связи с работой над радиоволнами Герц заметил, что, когда ультрафиолетовый свет падает на два металлических электрода с приложенным к ним напряжением, свет изменяет напряжение, при котором происходит искрообразование. Это отношение между светом и электричеством (отсюда фотоэлектрический ) был выяснен в 1902 году другим немецким физиком Филиппом Ленардом. Он продемонстрировал, что электрически заряженные частицы высвобождаются с поверхности металла при ее освещении и что эти частицы идентичны электронам, открытым британским физиком Джозефом Джоном Томсоном в 1897 году.

Дальнейшие исследования показали, что фотоэффект представляет собой взаимодействие между светом и материей, которое не может быть объяснено классической физикой, описывающей свет как электромагнитную волну. Одно необъяснимое наблюдение заключалось в том, что максимальная кинетическая энергия высвобожденных электронов не зависит от интенсивности света, как ожидалось в соответствии с волновой теорией, а вместо этого пропорциональна частоте света. Интенсивность света действительно определяла количество электронов, выпущенных из металла (измеряемое как электрический ток). Еще одно загадочное наблюдение заключалось в том, что между приходом излучения и испусканием электронов практически не было временной задержки.

фотоэлектрический эффект: открытие Эйнштейна, удостоенное Нобелевской премии

Рассмотрение этих неожиданных явлений привело Альберта Эйнштейна к формулировке в 1905 году новой корпускулярной теории света, в которой каждая частица света, или фотон, содержит фиксированное количество энергии или кванта, которое зависит от частоты света. В частности, фотон несет энергию E , равную ч f , где f — частота света и ч — это универсальная константа, которую немецкий физик Макс Планк вывел в 1900 году для объяснения распределения длин волн излучения черного тела, то есть электромагнитного излучения, испускаемого горячим телом. Соотношение также может быть записано в эквивалентной форме E = h c /λ, где c — скорость света, а λ — его длина волны, показывая, что энергия фотона обратно пропорциональна его длина волны.

Britannica Quiz

Физика и естественное право

Эйнштейн предположил, что фотон проникнет в материал и передаст свою энергию электрону. По мере того, как электрон движется через металл с высокой скоростью и, наконец, выходит из материала, его кинетическая энергия уменьшается на величину ϕ, называемую работой выхода (аналогично работе выхода электрона), которая представляет собой энергию, необходимую для того, чтобы электрон покинул пространство. металл. В силу сохранения энергии это рассуждение привело Эйнштейна к фотоэлектрическому уравнению E _k = h f − ϕ, где E _k — максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

Хотя модель Эйнштейна описывала эмиссию электронов из освещенной пластины, его фотонная гипотеза была настолько радикальной, что не была общепринятой до тех пор, пока не получила дальнейшего экспериментального подтверждения. Дальнейшее подтверждение произошло в 1916 году, когда чрезвычайно точные измерения американского физика Роберта Милликена подтвердили уравнение Эйнштейна и показали с высокой точностью, что значение постоянной Эйнштейна ч — то же самое, что и постоянная Планка. Наконец, в 1921 году Эйнштейну была присуждена Нобелевская премия по физике за объяснение фотоэлектрического эффекта.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

В 1922 году американский физик Артур Комптон измерил изменение длины волны рентгеновских лучей после их взаимодействия со свободными электронами и показал, что это изменение можно рассчитать, рассматривая рентгеновские лучи как состоящие из фотонов. Комптон получил 1927 Нобелевская премия по физике за эту работу. В 1931 году британский математик Ральф Говард Фаулер расширил понимание фотоэлектрической эмиссии, установив связь между фотоэлектрическим током и температурой в металлах. Дальнейшие усилия показали, что электромагнитное излучение также может испускать электроны в изоляторах, которые не проводят электричество, и в полупроводниках, различных изоляторах, которые проводят электричество только при определенных обстоятельствах.

Фотоэлектрические принципы

Согласно квантовой механике, электроны, связанные с атомами, находятся в определенных электронных конфигурациях. Самая высокая энергетическая конфигурация (или энергетическая зона), которая обычно занята электронами для данного материала, известна как валентная зона, и степень ее заполнения в значительной степени определяет электропроводность материала. В типичном проводнике (металле) валентная зона примерно наполовину заполнена электронами, которые легко перемещаются от атома к атому, неся ток. В хорошем изоляторе, таком как стекло или резина, валентная зона заполнена, и эти валентные электроны обладают очень малой подвижностью. Подобно изоляторам, полупроводники обычно имеют заполненные валентные зоны, но, в отличие от изоляторов, требуется очень небольшая энергия, чтобы возбудить электрон из валентной зоны в следующую разрешенную зону энергии, известную как зона проводимости, потому что любой электрон, возбужденный до этой более высокой энергии Уровень относительно свободный. Например, ширина запрещенной зоны для кремния составляет 1,12 эВ (электрон-вольт), а для арсенида галлия — 1,42 эВ. Это находится в диапазоне энергии, переносимой фотонами инфракрасного и видимого света, которые поэтому могут поднимать электроны в полупроводниках в зону проводимости. (Для сравнения, обычная батарейка для фонарика сообщает 1,5 эВ каждому прошедшему через нее электрону. Для преодоления запрещенной зоны в изоляторах требуется гораздо более мощное излучение.) В зависимости от того, как сконфигурирован полупроводниковый материал, это излучение может увеличить его электропроводность на добавление к электрическому току, уже индуцированному приложенным напряжением ( см. фотопроводимость), или он может генерировать напряжение независимо от каких-либо внешних источников напряжения ( см. фотогальванический эффект).

Фотопроводимость возникает из-за электронов, освобождаемых светом, а также из-за потока положительного заряда. Электроны, поднятые в зону проводимости, соответствуют отсутствующим отрицательным зарядам в валентной зоне, называемым «дырками». И электроны, и дырки увеличивают ток, когда полупроводник освещается.

При фотогальваническом эффекте напряжение генерируется, когда электроны, освобождаемые падающим светом, отделяются от образовавшихся дырок, создавая разность электрических потенциалов. Обычно это делается с помощью p – n переход, а не чистый полупроводник. Переход p – n возникает на стыке полупроводников типа p (положительный) и n (отрицательный). Эти противоположные области создаются добавлением различных примесей для производства избыточных электронов (тип n ) или избыточных дырок (тип p ). Освещение высвобождает электроны и дырки на противоположных сторонах соединения, создавая напряжение на соединении, которое может продвигать ток, тем самым преобразовывая свет в электрическую энергию.

Другие фотоэлектрические эффекты вызываются излучением более высоких частот, таким как рентгеновские лучи и гамма-лучи. Эти фотоны с более высокой энергией могут даже высвобождать электроны вблизи ядра атома, где они прочно связаны. Когда такой внутренний электрон выбрасывается, внешний электрон с более высокой энергией быстро падает вниз, чтобы заполнить вакансию. Избыток энергии приводит к испусканию одного или нескольких дополнительных электронов из атома, что называется эффектом Оже.