Məzmuna keç
Educora
Orta30 dəq43 / 68

Fotoeffekt

Fotonlar və E = hν, Eynşteyn tənliyi Eₖ = hν − W₀, qırmızı sərhəd və saxlayıcı gərginlik, I–U və Eₖ–ν qrafiklərinin oxunması, tezlik və intensivliyin rolu, korpuskulyar-dalğa dualizmi və de Broyl dalğa uzunluğu λ = h/p.

Özünü yoxla
Bu dərsdə öyrənəcəksən
  • Fotonun enerjisini coul və elektronvoltla hesablamaq, qırmızı sərhədlə birlikdə Eₖ = hν − W₀ tənliyini tətbiq etmək.
  • Saxlayıcı gərginliyi maksimal kinetik enerji ilə əlaqələndirmək, I–U, Eₖ–ν və Uc–ν qrafiklərini oxumaq (bucaq əmsalı, kəsişmə nöqtələri).
  • Hansı nəticələrin işığın tezliyindən, hansıların intensivliyindən asılı olduğunu izah etmək.
  • Korpuskulyar-dalğa dualizmini təsvir etmək və de Broyl dalğa uzunluğunu λ = h/p ilə hesablamaq.

Təmiz sink lövhəni elektroskopa birləşdir və üzərinə ultrabənövşəyi lampa ilə işıq sal: elektroskopun yarpaqcıqları dərhal aralanır, çünki sinkdən elektronlar çıxır və lövhə müsbət yüklənir. Arada şüşə lövhə qoy (şüşə ultrabənövşəyi şüaları udur) — təsir kəsilir. Lampanı çox parlaq qırmızı lampa ilə əvəz et — nə qədər gözləsən də, heç nə baş vermir. «Fiziki optika: interferensiya və difraksiya» dərsindəki dalğa təsəvvürü bunu izah edə bilmir, Eynşteynin fotonları (1905) isə izah edir — bu iş ona 1921-ci il üçün fizika üzrə Nobel mükafatını qazandırdı.

Fotonlar: E = hν enerjisi

1900-cü ildə Plank qızmış cisimlərin enerjini porsiyalarla şüalandırdığını fərz etdi; Eynşteyn daha irəli getdi: işığın özü fotonlar şəklində yayılır. Bir fotonun enerjisi yalnız işığın tezliyindən asılıdır. Eyni rəngli daha parlaq dəstə saniyədə daha çox foton daşıyır, daha «böyük» fotonlar yox.

Tərif
Foton

Elektromaqnit enerjisinin kvantı (porsiyası). c sürəti ilə hərəkət edir, enerjisi E = hν, impulsu p = h/λ-dır və yalnız bütöv halda şüalanır və ya udulur.

E = hν = hc/λE = hν = hc/λ
burada:
  • hPlank sabiti, 6,63 · 10⁻³⁴ C·s (çox vaxt 6,6 · 10⁻³⁴-ə qədər yuvarlaqlaşdırılır)
  • νişığın tezliyi
  • λ, cdalğa uzunluğu; c = 3,0 · 10⁸ m/s

Atom miqyaslı enerjilər çox kiçikdir, ona görə elektronvoltla ifadə olunur: 1 eV = 1,6 · 10⁻¹⁹ C. Görünən işığın fotonu təxminən 1,6–3,1 eV enerji daşıyır.

Həll olunmuş nümunələr: fotonun enerjisi

1) Tezliyi 5,0 · 10¹⁴ Hs olan fotonun enerjisini C və eV ilə tap (h = 6,6 · 10⁻³⁴ C·s).
2) λ = 310 nm olan ultrabənövşəyi fotonun enerjisini eV ilə tap (hc ≈ 1240 eV·nm götür).
3) Gücü 3,3 mVt olan lazer dalğa uzunluğu 600 nm olan işıq şüalandırır. O, saniyədə neçə foton buraxır? (h = 6,6 · 10⁻³⁴ C·s, c = 3,0 · 10⁸ m/s)

Həllini göstər
1) E = hν = 6,6 · 10⁻³⁴ · 5,0 · 10¹⁴ = 3,3 · 10⁻¹⁹ C; eV ilə: 3,3/1,6 ≈ 2,1 eV.
2) E = 1240/310 = 4,0 eV.
3) Bir foton: E = hc/λ = 6,6 · 10⁻³⁴ · 3,0 · 10⁸ / (6,0 · 10⁻⁷) = 3,3 · 10⁻¹⁹ C. N = P/E = 3,3 · 10⁻³ / (3,3 · 10⁻¹⁹) = saniyədə 1,0 · 10¹⁶ foton.

Eynşteyn tənliyi, çıxış işi və qırmızı sərhəd

Bir foton bütün enerjisini bir elektrona, özü də dərhal verir. Metaldan çıxmaq üçün elektron ən azı çıxış işi W₀ qədər enerji sərf etməlidir; qalanı kinetik enerjiyə çevrilir. Daha dərindən çıxan elektronlar yolda daha çox enerji itirir, ona görə tənlik fotoelektronların maksimal kinetik enerjisini verir.

Tərif
Çıxış işi W₀ və qırmızı sərhəd νc

W₀ — elektronu verilmiş metalın səthindən qoparmaq üçün lazım olan ən kiçik enerjidir. Fotoeffektin qırmızı sərhədi (limit tezlik) νc hələ elektron qoparan ən kiçik tezlikdir: hνc = W₀. Ona uyğun limit dalğa uzunluğu λc = c/νc fotoeffekt yaradan ən böyük dalğa uzunluğudur.

Eₖ = hν − W₀ W₀ = hνc = hc/λcEₖ = hν − W₀ W₀ = hνc = hc/λc
burada:
  • Eₖfotoelektronların maksimal kinetik enerjisi
  • hνbir fotonun enerjisi
  • W₀metalın çıxış işi
  • νc, λcqırmızı sərhədin tezliyi və dalğa uzunluğu

Fotoeffekt yalnız ν ≥ νc (λ ≤ λc) olduqda baş verir. Eₖ ν ilə xətti artır, amma ona mütənasib deyil.

Həll olunmuş nümunələr: Eynşteyn tənliyi

1) Enerjisi 3,0 eV olan fotonlar çıxış işi W₀ = 2,25 eV olan metala düşür. Eₖ-nı tap.
2) Metalın çıxış işi W₀ = 3,3 · 10⁻¹⁹ C-dur. νc və λc-ni tap (h = 6,6 · 10⁻³⁴ C·s). 700 nm-lik işıq bu metaldan elektron qopara bilərmi?
3) Metala tezliyi 2ν_c olan işıq düşür. Eₖ-nı W₀ ilə ifadə et.

Həllini göstər
1) Eₖ = 3,0 − 2,25 = 0,75 eV.
2) νc = W₀/h = 3,3 · 10⁻¹⁹ / (6,6 · 10⁻³⁴) = 5,0 · 10¹⁴ Hs; λc = c/νc = 3,0 · 10⁸ / (5,0 · 10¹⁴) = 6,0 · 10⁻⁷ m = 600 nm. 700 nm > 600 nm, yəni hər fotonun enerjisi çatmır: işıq nə qədər parlaq olsa da, fotoeffekt yoxdur.
3) Eₖ = h · 2ν_c − hνc = hνc = W₀.
Təcrübə faktıDalğa nəzəriyyəsi nə gözləyirdiFotonlarla izah
ν < νc olduqda işıq nə qədər güclü olsa da, elektron çıxmırkifayət qədər intensivlik həmişə elektron qoparmalı idibir fotonun enerjisi W₀-dan az olmamalıdır (hν ≥ W₀); fotonlar enerjilərini birləşdirmir
Eₖ tezlikdən asılıdır, intensivlikdən yoxparlaq işıq daha sürətli elektronlar verməli idiEₖ = hν − W₀ düsturunda yalnız ν var
Saniyədə çıxan elektronların sayı (doyma cərəyanı) intensivliklə mütənasibdirbununla razılaşırdaha çox foton → daha çox elektron
Fotoeffekt zəif işıqda da dərhal (10⁻⁹ s-dən tez) başlayırzəif işıq enerji toplamaq üçün vaxt tələb edərdibir foton — bir elektron, gözləmə yoxdur
CSCA tez-tez bu cür dörd fikir verib hansının doğru olduğunu soruşur.
CSCA tipli sual

Fotonlarının enerjisi 5,0 eV olan işıq maksimal kinetik enerjisi 1,8 eV olan fotoelektronlar qoparır. Fotonların enerjisi 6,2 eV-a qədər artırılır. Yeni maksimal kinetik enerji nə qədərdir?
A) 1,8 eV B) 2,2 eV C) 3,0 eV D) 4,4 eV

Həllini göstər
W₀ = 5,0 − 1,8 = 3,2 eV, deməli, Eₖ = 6,2 − 3,2 = 3,0 eV (C).
A Eₖ-nın yalnız metaldan asılı olduğunu düşünənləri cəlb edir; B = 1,8 · 6,2/5,0 ≈ 2,2 səhvən Eₖ ∝ hν fərz edir; D = 6,2 − 1,8 çıxış işi əvəzinə köhnə kinetik enerjini çıxır.

Saxlayıcı gərginlik və qrafiklər

Fotoelementdə işıq K katoduna düşür, A anodu isə elektronları toplayır. Düz gərginlikdə (A müsbətdir) cərəyan U ilə artır, sonra artmır: doyma cərəyanı Is halında buraxılan bütün elektronlar anoda çatır. U = 0 olduqda da müəyyən cərəyan olur, çünki elektronlar kinetik enerji ilə çıxır. Əks gərginlikdə sahə elektronları ləngidir; U = −Uc olduqda ən sürətli elektronlar da geri qayıdır və cərəyan sıfır olur.

eUc = Eₖ = hν − W₀ ⇒ Uc = (h/e) · ν − W₀/eeUc = Eₖ = hν − W₀ ⇒ Uc = (h/e) · ν − W₀/e
burada:
  • Ucsaxlayıcı (ləngidici) gərginlik
  • eelementar yük, 1,6 · 10⁻¹⁹ Kl
  • h/eh/eUc–ν qrafikinin bucaq əmsalı

Sahənin eUc işi ən sürətli elektronun bütün kinetik enerjisini alır. Ədədi olaraq: Uc voltla = Eₖ elektronvoltla.

Həll olunmuş nümunələr: saxlayıcı gərginlik

1) Saxlayıcı gərginlik 1,5 V-dur. Eₖ-nı eV və C ilə tap.
2) Enerjisi 4,5 eV olan fotonlar W₀ = 2,0 eV olan metala düşür. Uc-ni tap.
3) Fotoelektronların Eₖ = 3,2 · 10⁻¹⁹ C-dur. Uc-ni tap.

Həllini göstər
1) Eₖ = eUc = 1,5 eV = 1,5 · 1,6 · 10⁻¹⁹ = 2,4 · 10⁻¹⁹ C.
2) Eₖ = 4,5 − 2,0 = 2,5 eV, deməli, Uc = 2,5 V.
3) Uc = Eₖ/e = 3,2 · 10⁻¹⁹ / (1,6 · 10⁻¹⁹) = 2,0 V.
  • I–U qrafiki, bir rəng, müxtəlif intensivlik: əyrilər U oxunu eyni −Uc nöqtəsində kəsir; daha parlaq işığın doyma cərəyanı böyükdür.
  • I–U qrafiki, müxtəlif rənglər: tezliyi böyük olan işığın Uc-si də böyükdür (əyrisi daha solda başlayır); doyma cərəyanları tezlik haqqında heç nə demir.
  • Eₖ–ν qrafiki: bucaq əmsalı h olan düz xətt (bütün metallar üçün eynidir, ona görə müxtəlif metalların xətləri paraleldir); ν oxunu νc nöqtəsində kəsir, davamı isə Eₖ oxunu −W₀ nöqtəsində kəsir.
  • Uc–ν qrafiki: bucaq əmsalı h/e, ν oxu ilə kəsişmə nöqtəsi νc. Milliken h-ı məhz belə ölçmüşdür.
İnteraktiv
Simulyasiya yüklənir…
İki metal üçün Eₖ-nın (eV ilə) tezlikdən, x-dən (10¹⁴ Hs vahidi ilə) asılılığı; W və W2 — çıxış işləridir (eV ilə). Hər iki xəttin bucaq əmsalı h ≈ 0,414 eV / 10¹⁴ Hs-dir, ona görə xətlər paralel qalır. Xəttin x oxunu kəsdiyi nöqtə νc-dir; oxdan aşağı hissənin fiziki mənası yoxdur (fotoeffekt baş vermir), amma onun davamı şaquli oxu −W₀ nöqtəsində kəsir.
Həll olunmuş nümunə: U_c–ν qrafikini oxumaq

Bir metal üçün Uc–ν xətti ν oxunu 5,0 · 10¹⁴ Hs nöqtəsində kəsir və ν = 1,0 · 10¹⁵ Hs olduqda Uc = 2,0 V nöqtəsindən keçir. h-ı və W₀-ı tap (e = 1,6 · 10⁻¹⁹ Kl).

Həllini göstər
Bucaq əmsalı = 2,0 V / (1,0 · 10¹⁵ − 5,0 · 10¹⁴) Hs = 4,0 · 10⁻¹⁵ V·s = h/e.
h = 1,6 · 10⁻¹⁹ · 4,0 · 10⁻¹⁵ = 6,4 · 10⁻³⁴ C·s (qəbul olunmuş 6,63 · 10⁻³⁴ qiymətinə yaxındır).
W₀ = hνc = 6,4 · 10⁻³⁴ · 5,0 · 10¹⁴ = 3,2 · 10⁻¹⁹ C = 2,0 eV.
CSCA tipli sual: I–U əyriləri

Bir metalla aparılan fotoeffekt təcrübəsində I–U qrafikinin a və b əyriləri gərginlik oxunu eyni −U₁ nöqtəsində kəsir, a-nın doyma cərəyanı isə böyükdür; c əyrisi oxu −U₂ nöqtəsində kəsir, burada U₂ > U₁. Hansı fikir doğrudur?
A) a və b işıqlarının tezliyi eynidir, a daha intensivdir
B) a işığının tezliyi b-ninkindən böyükdür
C) c işığının tezliyi üçünün arasında ən kiçikdir
D) Ən sürətli fotoelektronları b işığı yaradır

Həllini göstər
Eyni saxlayıcı gərginlik eyni Eₖ, deməli, eyni tezlik deməkdir; böyük doyma cərəyanı isə saniyədə daha çox foton deməkdir: A.
B doyma cərəyanını tezliklə qarışdırır. C tərsinədir: böyük Uc böyük tezliyə uyğundur. D səhvdir, çünki ən böyük Uc c-nindir, deməli, ən sürətli elektronları c verir.

Korpuskulyar-dalğa dualizmi və de Broyl dalğaları

İnterferensiya, difraksiya və polyarizasiya işığın dalğa olduğunu, fotoeffekt (və Kompton effekti) isə onun hissəciklərdən ibarət olduğunu göstərir. İşıq hər iki xassəyə malikdir — bu, korpuskulyar-dalğa dualizmidir.

  • İşıq yayılarkən dalğa kimi, maddə ilə qarşılıqlı təsirdə (şüalanarkən və ya udularkən) isə hissəciklər kimi davranır.
  • Az sayda foton hissəcik kimi təsir göstərir, çoxlu foton birlikdə isə dalğa mənzərəsi yaradır: çox zəif işıqla iki yarıq təcrübəsində ekranda tək-tək nöqtələr yaranır və tədricən zolaqlara çevrilir.
  • Dalğa uzunluğu nə qədər qısadırsa, korpuskulyar xassələr bir o qədər aydın görünür (rentgen, γ-şüaları); nə qədər uzundursa, dalğa xassələri bir o qədər aydın görünür (radiodalğalar).

1924-cü ildə de Broyl əks ideyanı irəli sürdü: hər hərəkət edən hissəciyin də dalğa uzunluğu var. Bu, 1927-ci ildə təsdiq olundu: elektron dəstəsi kristalda rentgen şüaları kimi difraksiya etdi. Sürətli elektronların dalğa uzunluğu çox kiçikdir, ona görə elektron mikroskopları işıq mikroskoplarından xeyli incə detalları göstərir.

λ = h/p = h/(mv) = h/√(2mEₖ)λ = h/p = h/(mv) = h/√(2mEₖ)
burada:
  • λde Broyl dalğa uzunluğu
  • phissəciyin impulsu
  • m, vkütlə və sürət
  • Eₖkinetik enerji (sükunətdən U gərginliyi ilə sürətləndirilmiş elektron üçün Eₖ = eU)

Fotonun da impulsu var: p = h/λ. İmpuls nə qədər böyükdürsə, dalğa uzunluğu bir o qədər kiçikdir; eyni kinetik enerjidə ağır hissəciyin dalğa uzunluğu daha kiçikdir.

Həll olunmuş nümunələr: de Broyl dalğa uzunluğu

1) Elektronun impulsu 6,63 · 10⁻²⁴ kq·m/s-dir. Onun dalğa uzunluğunu tap (h = 6,63 · 10⁻³⁴ C·s).
2) Kütləsi 66 q olan top 10 m/s sürətlə uçur. Onun dalğa uzunluğunu tap (h = 6,6 · 10⁻³⁴ C·s).
3) Elektronun kinetik enerjisi 4 dəfə artırılır. Onun dalğa uzunluğu necə dəyişir?

Həllini göstər
1) λ = h/p = 6,63 · 10⁻³⁴ / (6,63 · 10⁻²⁴) = 1,0 · 10⁻¹⁰ m = 0,1 nm — kristalda atomlar arasındakı məsafə tərtibindədir; elektronların kristalda difraksiya etməsinin səbəbi də budur.
2) λ = 6,6 · 10⁻³⁴ / (0,066 · 10) = 1,0 · 10⁻³³ m — müşahidə üçün həddən artıq kiçikdir, ona görə toplar dalğa xassəsi göstərmir.
3) p = √(2mEₖ) iki dəfə artır, deməli, λ = h/p iki dəfə azalır.
CSCA tipli sual: hansı təcrübə?

Hansı təcrübə elektronların dalğa təbiətini göstərir?
A) Fotoeffekt
B) α-hissəciklərin qızıl folqada səpilməsi
C) Katod şüalarının maqnit sahəsində meyl etməsi
D) Elektron dəstəsinin kristalda difraksiyası

Həllini göstər
Difraksiya dalğa xassəsidir, kristaldan keçən elektron dəstəsi isə difraksiya mənzərəsi verir: D.
A ən cəlbedici variantdır, çünki «kvant təcrübəsidir», amma o, elektronların dalğa təbiətini yox, işığın korpuskulyar təbiətini göstərir. B nüvəni aşkar etdi («Atomun quruluşu və spektrlər» dərsinə bax), C isə katod şüalarının yüklü hissəciklər olduğunu göstərir.

CSCA bu mövzunu necə soruşur

Hesablama suallarının çoxu eyni dörd addımla həll olunur:

  1. 1
    Fotonun enerjisi eV ilə

    E = 1240/λ (λ nm ilə) və ya h C·s ilə verilibsə, E = hν / (1,6 · 10⁻¹⁹).

  2. 2
    Qırmızı sərhədi yoxla

    E < W₀ (ν < νc, λ > λc) olarsa, intensivlikdən asılı olmayaraq heç bir elektron çıxmır — cavab «fotoeffekt yoxdur».

  3. 3
    Eynşteyn tənliyi

    Eₖ = E − W₀, hamısı eV ilə.

  4. 4
    Soruşulan kəmiyyət

    Uc voltla = Eₖ eV ilə; Eₖ coulla = Eₖ (eV) · 1,6 · 10⁻¹⁹; elektronun de Broyl dalğa uzunluğu — λ = h/√(2mEₖ) düsturundan.

  • eV ilə Eynşteyn tənliyi: Eₖ, Uc, W₀ və ya fotonun enerjisini tap — adətən bir çıxma əməli.
  • Qırmızı sərhəd: «hansı dalğa uzunluqları elektron qoparır?» — λ ≤ λc; «işıq daha parlaq olsa və ya daha uzun düşsə?» — νc-dən aşağı heç nə dəyişmir.
  • Tezlik və intensivlik haqqında fikirlər: Eₖ və Uc ν-dən, doyma cərəyanı intensivlikdən asılıdır; fotoeffekt ani baş verir.
  • Qrafiklər: I–U əyriləri (eyni −Uc — eyni rəng) və Eₖ–ν və ya Uc–ν xətləri (bucaq əmsalı h və ya h/e, kəsişmə nöqtələri νc və −W₀, müxtəlif metallar üçün paralel xətlər).
  • Saymaq: saniyədə N = P/(hν) foton və ya N = Is/e elektron.
  • Dualizm və de Broyl: hansı təcrübə nəyi göstərir; λ = h/p ilə nisbətlər (λ ∝ 1/p ∝ 1/√Eₖ).
Termin (ingiliscə)中文Pinyin
fotoeffekt — photoelectric effect光电效应guāngdiàn xiàoyìng
foton — photon光子guāngzǐ
Plank sabiti — Planck's constant普朗克常量Pǔlǎngkè chángliàng
çıxış işi — work function逸出功yìchūgōng
qırmızı sərhəd (limit tezlik) — threshold frequency截止频率jiézhǐ pínlǜ
fotoelektron — photoelectron光电子guāngdiànzǐ
maksimal başlanğıc kinetik enerji — maximum kinetic energy最大初动能zuìdà chūdòngnéng
saxlayıcı gərginlik — stopping voltage遏止电压èzhǐ diànyā
doyma cərəyanı — saturation current饱和电流bǎohé diànliú
fotoelement — phototube光电管guāngdiànguǎn
işığın intensivliyi — light intensity光强guāngqiáng
elektronvolt — electronvolt电子伏特diànzǐ fútè
korpuskulyar-dalğa dualizmi — wave–particle duality波粒二象性bō lì èrxiàngxìng
maddə dalğası (de Broyl dalğası) — matter wave物质波(德布罗意波)wùzhìbō (Débùluóyì bō)
CSCA-nı ingilis və ya çin dilində vermək olar, ona görə hər iki adı öyrən.

Əsas fikirlər

  • Foton E = hν = hc/λ enerji daşıyır; hc ≈ 1240 eV·nm, 1 eV = 1,6 · 10⁻¹⁹ C.
  • Eₖ = hν − W₀; fotoeffekt yalnız ν ≥ νc = W₀/h (λ ≤ λc) olduqda baş verir — işıq nə qədər intensiv olsa da.
  • eUc = Eₖ: Uc-nin voltla qiyməti Eₖ-nın eV ilə qiymətinə bərabərdir; eyni rəng — eyni Uc, daha parlaq işıq — daha böyük doyma cərəyanı.
  • Eₖ–ν xəttinin bucaq əmsalı h-dır (bütün metallar üçün eyni), ν oxu ilə kəsişməsi νc, Eₖ oxu ilə kəsişməsi −W₀; Uc–ν xəttinin bucaq əmsalı h/e-dir.
  • İşıq korpuskulyar-dalğa dualizminə malikdir; hər hissəciyin de Broyl dalğa uzunluğu var: λ = h/p = h/√(2mEₖ).

Özünü yoxla

12 sual. Hər düzgün cavab XP qazandırır.

1 / 12
Bir fotonun enerjisi nədən asılıdır?

Mövzu testi: 20 sual · 25 dəq

Dərsi bitirdin? Bu mövzu üzrə vaxtlı testlə biliyini yoxla.

Testə başla