Παρατήρηση Hertz

Η φωτοηλεκτρική εκπομπή είναι ένα φαινόμενο στο οποίο τα ηλεκτρόνια εκτοξεύονται από τις μεταλλικές επιφάνειες όταν το φως πέφτει επάνω τους, και αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα φωτοηλεκτρόνια είναι τα ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται από το σώμα. Από αυτή την άποψη, είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων, καθώς και η κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων που εκτοξεύονται από την επιφάνεια του μετάλλου, εξαρτάται από τη συχνότητα του φωτός που προσπίπτει στην επιφάνεια του μετάλλου. Η φωτοεκπομπή αναφέρεται στη διαδικασία με την οποία τα φωτοηλεκτρόνια εκτοξεύονται από την επιφάνεια του μετάλλου ως αποτέλεσμα της δράσης του φωτός στο μέταλλο.

Ανακάλυψη

Ο Heinrich Hertz ανακάλυψε ένα παράξενο φαινόμενο το 1887 ενώ διεξήγαγε πειράματα για να αποδείξει την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός του Maxwell. Ο Hertz διεξήγαγε πειράματα για να αποδείξει την ηλεκτρομαγνητική θεωρία του φωτός του Maxwell εκείνη την εποχή. Η παρουσία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων ανιχνεύθηκε χρησιμοποιώντας ένα διάκενο σπινθήρα (δύο αιχμηρά ηλεκτρόδια τοποθετημένα σε μικρή απόσταση το ένα από το άλλο έτσι ώστε να μπορούν να δημιουργηθούν ηλεκτρικοί σπινθήρες). Το τοποθέτησε σε ένα σκοτεινό κουτί για να το εξετάσει πιο προσεκτικά και ανακάλυψε ότι το μήκος του σπινθήρα είχε μειωθεί. Η χρήση ενός γυάλινου κουτιού προκάλεσε αύξηση του μήκους του σπινθήρα. Ωστόσο, η μετάβαση σε κουτί από χαλαζία προκάλεσε το μήκος του σπινθήρα να αυξηθεί ακόμη περισσότερο. Αυτή ήταν η πρώτη φορά που παρατηρήθηκε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

Ο Wilhelm Hallwachs επιβεβαίωσε αυτά τα ευρήματα ένα χρόνο αργότερα, δείχνοντας ότι το υπεριώδες φως που λάμπει σε μια πλάκα ψευδαργύρου συνδεδεμένη με μια μπαταρία παρήγαγε ρεύμα (λόγω εκπομπής ηλεκτρονίων). J.J. Ο Thompson ανακάλυψε το 1898 ότι η ποσότητα του παραγόμενου ρεύματος ποικίλλει ανάλογα με την ένταση και τη συχνότητα της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας.

Ο Lenard ανακάλυψε το 1902 ότι η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκπέμπονταν αυξήθηκε σε ευθεία αναλογία με τη συχνότητα της χρησιμοποιούμενης ακτινοβολίας. Επειδή η ηλεκτρομαγνητική θεωρία του Maxwell (η οποία ο Hertz αποδείχθηκε σωστή) προέβλεψε ότι η κινητική ενέργεια θα έπρεπε να εξαρτάται μόνο από την ένταση του φωτός (όχι τη συχνότητα), αυτό δεν μπορούσε να εξηγηθεί.

Ο Αϊνστάιν θα παρείχε μια εξήγηση για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μόνο λίγα χρόνια αργότερα, κάτι που θα έφερνε το ζήτημα στο κλείσιμο.

Ρύθμιση για πειραματισμό

Η πειραματική ρύθμιση που χρησιμοποιήθηκε από τον J.J. Ο Thompson να μελετήσει αυτό το αποτέλεσμα (το οποίο αργότερα βελτιώθηκε από τον Lenard) είναι εξαιρετικά σημαντικό. Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια πλάκας ψευδαργύρου που τοποθετούνται σε αντίθετα άκρα ενός γυάλινου σωλήνα που έχει εκκενωθεί (διατηρείται κενό). Ένα μικρό παράθυρο χαλαζία φωτίζει ένα από τα ηλεκτρόδια που χρησιμεύει ως κάθοδος, το οποίο αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια. Επειδή το συνηθισμένο γυαλί απορροφά το υπεριώδες φως, χρησιμοποιείται χαλαζίας. Μια μεταβλητή τάση εφαρμόζεται στα δύο ηλεκτρόδια μέσω μιας μπαταρίας και ενός ποτενσιόμετρου, τα οποία μπορούν να ρυθμιστούν. Χρησιμοποιώντας ένα αμπερόμετρο, είναι δυνατό να καταγραφεί το ρεύμα που διαρρέει το κύκλωμα καθώς αλλάζει το δυναμικό και η ένταση του φωτός.

Ηχογραφήσεις

Το φωτοηλεκτρικό ρεύμα είναι ευθέως ανάλογο με την ένταση του φωτός που πέφτει στο ηλεκτρόδιο. Σημειώθηκε ότι το ρεύμα αυξάνεται ανάλογα με την ένταση της φωτεινής πηγής. Επίσης, το ρεύμα μειώνεται σε ευθεία αναλογία με τη μείωση της τάσης. Ωστόσο, για να επιτευχθεί μηδενικό ρεύμα, η τάση πρέπει να αντιστραφεί σε ένα συγκεκριμένο V0, το οποίο είναι γνωστό ως δυναμικό διακοπής. Αυτό σημαίνει ότι η τάση πρέπει να αντιστραφεί σε τέτοιο βαθμό ώστε τα ηλεκτρόνια να εμποδίζονται να φτάσουν στην άνοδο. Αυτή είναι η μέγιστη ποσότητα κινητικής ενέργειας που μπορεί να αποκτήσει ένα εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο.

Η υψηλότερη δυνατή κινητική ενέργεια

KE =eV0

(e υποδηλώνει το φορτίο που μεταφέρει το ηλεκτρόνιο.)

Η μέγιστη κινητική ενέργεια αυξάνεται ανάλογα με τη συχνότητα του φωτός που παρατηρείται. Όταν η συχνότητα του φωτός (v) αυξάνεται, το δυναμικό διακοπής γίνεται πιο αρνητικό, υπονοώντας ότι η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων αυξάνεται ως αποτέλεσμα αυτού.

Όλες οι συχνότητες φωτός, από την άλλη πλευρά, είναι ανίκανες να προκαλέσουν την ανάπτυξη φωτοηλεκτρικού ρεύματος. Μόνο φως με συχνότητα πάνω από ένα ορισμένο όριο (0) μπορεί να δημιουργήσει φωτοηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό ποικίλλει ανάλογα με το υλικό του ηλεκτροδίου που χρησιμοποιείται. Επιπλέον, η μέγιστη κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων αυξάνεται γραμμικά με τη συχνότητα του φωτός που εκπέμπεται. Στην πραγματικότητα, αν πάμε κάτω από τον άξονα x, η τομή στον άξονα της κινητικής ενέργειας αντιπροσωπεύει την ελάχιστη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την εκπομπή ηλεκτρονίων. αυτό αναφέρεται ως η λειτουργία εργασίας του υλικού.

Παρατηρήσεις

• Στην περίπτωση οποιουδήποτε δεδομένου μετάλλου, υπάρχει μια συγκεκριμένη ελάχιστη συχνότητα πάνω από την οποία εμφανίζεται το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, η οποία αναφέρεται ως συχνότητα κατωφλίου.

• Όταν η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός αυξάνεται διατηρώντας τον αριθμό των προσπίπτοντων φωτονίων σταθερό, η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων αυξάνεται.

• Πάνω από τη συχνότητα κατωφλίου, η μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός και δεν εξαρτάται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός πάνω από τη συχνότητα κατωφλίου.

• Ο ρυθμός με τον οποίο εκτινάσσονται τα φωτοηλεκτρόνια είναι ευθέως ανάλογος με την ένταση του προσπίπτοντος φωτός για ένα δεδομένο μέταλλο και τη συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός. Το μέγεθος του φωτοηλεκτρικού ρεύματος αυξάνεται καθώς το μέγεθος του προσπίπτοντος φωτός αυξάνεται σε μέγεθος.

• Η χρονική καθυστέρηση μεταξύ της επίπτωσης των φωτονίων και της εκπομπής της ακτινοβολίας φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος είναι εξαιρετικά μικρή, μετρώντας λιγότερο από 10-9 δευτερόλεπτα.

Συμπέρασμα

Όταν ένα υλικό απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, εμφανίζεται ένα φαινόμενο γνωστό ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, στο οποίο απελευθερώνονται ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια από ή μέσα στο υλικό. Όταν το φως εκπέμπεται σε μια μεταλλική πλάκα, το φαινόμενο περιγράφεται συνήθως ως η εκτόξευση ηλεκτρονίων από την πλάκα. Το φαινόμενο ήταν θεμελιωδώς σημαντικό για την ανάπτυξη της σύγχρονης φυσικής λόγω των αινιγματικών ερωτημάτων που έθεσε σχετικά με τη φύση του φωτός, συγκεκριμένα εάν είναι σωματίδιο ή κύμα. Αυτές οι αμφιβολίες επιλύθηκαν τελικά από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905 ως αποτέλεσμα της έρευνάς του. Το αποτέλεσμα εξακολουθεί να είναι σημαντικό για την έρευνα σε ένα ευρύ φάσμα πεδίων, από την επιστήμη των υλικών έως την αστροφυσική, καθώς και να χρησιμεύει ως βάση για ένα ευρύ φάσμα χρήσιμων συσκευών στην καθημερινή ζωή.