Fotoefekt: erinevus redaktsioonide vahel

Allikas: Vikipeedia
Sirvi ajalugu interaktiivselt
← Vanem muudatusUuem muudatus →
Eemaldatud sisu Lisatud sisu
VisuaalneVikitekst
Anusaarva (arutelu | kaastöö)
110 muudatust
Resümee puudub
Anarij (arutelu | kaastöö)
223 muudatust
PResümee puudub
4. rida: 4. rida:
Nähtust tuntakse ka '''Hertzi efektina'''<ref name="Ref_a">[http://books.google.com/books?vid=0K0iBwtYewSsTOZn0bYsGb4&id=BPcQAAAAIAAJ The American journal of science]. (1880). New Haven: J.D. & E.S. Dana. p. 234</ref><ref name="Ref_b">[http://scienceworld.wolfram.com/physics/HertzEffect.html Weisstein, Eric W. (2007), Eric Weisstein's World of Physics], ''Eric Weisstein's World of Science'', Wolfram Research</ref>, kuigi hilisem termin on leidnud laialdast kasutust. Aine pinnalt kiirguse poolt välja löödud elektrone nimetatakse [[fotoelekton]]ideks<ref name="serway_1">{{cite book|title = Physics for Scientists & Engineers|edition=3rd|author = Serway, Raymond A.|year = 1990|page = 1150|publisher = Saunders|isbn = 0-03-030258-7|url = http://books.google.com/?id=RUMBw3hR7aoC&q=inauthor:serway+photoelectric&dq=inauthor:serway+photoelectric}}</ref><ref name="SZY843-4">Sears, Francis W., Mark W. Zemansky and Hugh D. Young (1983), ''University Physics'', Sixth Edition, Addison-Wesley, pp. 843–4. ISBN 0-201-07195-9.</ref>. Selle nähtuse avastas [[Heinrich Hertz]] [[1887]]. aastal<ref name="SZY843-4"/><ref name="Hertz1887">{{cite journal | first=Heinrich|last= Hertz|title=''Über den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung''|journal= [[Annalen der Physik]] |volume=267|issue=8|pages=S. 983–1000|year=1887|doi=10.1002/andp.18872670827|bibcode=1887AnP...267..983H}}</ref>. Hertz jälgis ja näitas, et [[elektriline läbilöök]] [[elektrood]]ide vahel tekib kergemini, kui valgustada elektroode ultraviolettkiirgusega.
Nähtust tuntakse ka '''Hertzi efektina'''<ref name="Ref_a">[http://books.google.com/books?vid=0K0iBwtYewSsTOZn0bYsGb4&id=BPcQAAAAIAAJ The American journal of science]. (1880). New Haven: J.D. & E.S. Dana. p. 234</ref><ref name="Ref_b">[http://scienceworld.wolfram.com/physics/HertzEffect.html Weisstein, Eric W. (2007), Eric Weisstein's World of Physics], ''Eric Weisstein's World of Science'', Wolfram Research</ref>, kuigi hilisem termin on leidnud laialdast kasutust. Aine pinnalt kiirguse poolt välja löödud elektrone nimetatakse [[fotoelekton]]ideks<ref name="serway_1">{{cite book|title = Physics for Scientists & Engineers|edition=3rd|author = Serway, Raymond A.|year = 1990|page = 1150|publisher = Saunders|isbn = 0-03-030258-7|url = http://books.google.com/?id=RUMBw3hR7aoC&q=inauthor:serway+photoelectric&dq=inauthor:serway+photoelectric}}</ref><ref name="SZY843-4">Sears, Francis W., Mark W. Zemansky and Hugh D. Young (1983), ''University Physics'', Sixth Edition, Addison-Wesley, pp. 843–4. ISBN 0-201-07195-9.</ref>. Selle nähtuse avastas [[Heinrich Hertz]] [[1887]]. aastal<ref name="SZY843-4"/><ref name="Hertz1887">{{cite journal | first=Heinrich|last= Hertz|title=''Über den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung''|journal= [[Annalen der Physik]] |volume=267|issue=8|pages=S. 983–1000|year=1887|doi=10.1002/andp.18872670827|bibcode=1887AnP...267..983H}}</ref>. Hertz jälgis ja näitas, et [[elektriline läbilöök]] [[elektrood]]ide vahel tekib kergemini, kui valgustada elektroode ultraviolettkiirgusega.


Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase [[lävisagedus]]e <math>f_0</math> või lainepikkus olema väiksem [[piirlainepikkus]]est <math> \lambda = c/f_0 </math>. Olenemata [[valguse intensiivsus]]est fotoefekti ei teki, kui see tingimus ei ole täidetud.<ref>Füüsika põhikursus, II köide, D. Halliday, R. Resnick ja J. Walker, 2008-1012</ref>
Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase [[lävisagedus]]e <math>f_0</math> või lainepikkus olema väiksem [[piirlainepikkus]]est <math> \lambda = c/f_0 </math>. Olenemata [[valguse intensiivsus]]est fotoefekti ei teki, kui see tingimus ei ole täidetud.<ref>Füüsika põhikursus, II köide, D. Halliday, R. Resnick ja J. Walker, 2008-1012</ref>


Tänu fotoefekti uurimisele jõuti lähemale valguse ja elektronide kvantolemuse mõistmisele ja see aitas kaasa [[valguse dualism]]i sõnastamisele.<ref name="serway_1" />
Tänu fotoefekti uurimisele jõuti lähemale valguse ja elektronide kvantolemuse mõistmisele ja see aitas kaasa [[valguse dualism]]i sõnastamisele.<ref name="serway_1" />
12. rida: 12. rida:
[[1887]]. aastal märkas saksa füüsik Heinrich Hertz, et kui valgustada metallplaati ultraviolettkiirgusega, võib sealt sädemeid lüüa. Teati, et metallid on head [[elektrijuht|elektrijuhid]], kuna elektronid on nende [[aatom]]iga nõrgemalt seotud ja seega sissetuleva [[energia]] järsu suurendamisega saab neid sealt välja lüüa. Mõistatuslik oli aga see, et erinevate metallide jaoks oli emissiooniks vajalik miinimumsagedus erinev. Valguse intensiivsuse tõstmise tagajärjel vabanes rohkem elektrone, kuid nende energia jäi samaks, samas sageduse suurendamisel said elektronid küll suurema energia, kuid nende arv ei muutunud. Seda nähtust hakati kutsuma fotoefektiks.<ref name="serway_a">http://www.aps.org/publications/apsnews/200501/history.cfm</ref>
[[1887]]. aastal märkas saksa füüsik Heinrich Hertz, et kui valgustada metallplaati ultraviolettkiirgusega, võib sealt sädemeid lüüa. Teati, et metallid on head [[elektrijuht|elektrijuhid]], kuna elektronid on nende [[aatom]]iga nõrgemalt seotud ja seega sissetuleva [[energia]] järsu suurendamisega saab neid sealt välja lüüa. Mõistatuslik oli aga see, et erinevate metallide jaoks oli emissiooniks vajalik miinimumsagedus erinev. Valguse intensiivsuse tõstmise tagajärjel vabanes rohkem elektrone, kuid nende energia jäi samaks, samas sageduse suurendamisel said elektronid küll suurema energia, kuid nende arv ei muutunud. Seda nähtust hakati kutsuma fotoefektiks.<ref name="serway_a">http://www.aps.org/publications/apsnews/200501/history.cfm</ref>


[[1900]]. aastal lahendas [[Max Planck]] ülesande [[musta keha kiirgus]]e kohta, mis näitas, et iga aatom saab neelata või kiirata ainult diskreetse energiaga [[kvant|kvandi]] <math> E = h\,f</math> . Planck arvas, et kvargi kontsept on lihtsalt matemaatiline trikk, et teooria ühilduks katsega.<ref name="serway_a" />
[[1900]]. aastal lahendas [[Max Planck]] ülesande [[musta keha kiirgus]]e kohta, mis näitas, et iga aatom saab neelata või kiirata ainult diskreetse energiaga [[kvant|kvandi]] <math> E = h\,f</math>. Planck arvas, et kvargi kontsept on lihtsalt matemaatiline trikk, et teooria ühilduks katsega.<ref name="serway_a" />


[[1905]]. aasta märtsis avaldas [[Albert Einstein]] artikli, mis andis fotoefektile seletuse. Ta ütles, et valgus on osakeste voog, mille energiad on vastavalt [[Plancki seadus]]ele seotud nende sagedustega. Kui see kiir suunata metallile, siis [[footon]]id põrkuvad aatomitega ja kui footoni sagedus on piisav, et lüüa pinnalt välja elektron, tekib fotoefekt. Valgusosake kannab energiat, mis on võrdeline vastava laine sagedusega. [[1921]]. aastal sai Einstein oma töö eest [[füüsika]]s [[Nobeli preemia]].<ref name="serway_a" />
[[1905]]. aasta märtsis avaldas [[Albert Einstein]] artikli, mis andis fotoefektile seletuse. Ta ütles, et valgus on osakeste voog, mille energiad on vastavalt [[Plancki seadus]]ele seotud nende sagedustega. Kui see kiir suunata metallile, siis [[footon]]id põrkuvad aatomitega ja kui footoni sagedus on piisav, et lüüa pinnalt välja elektron, tekib fotoefekt. Valgusosake kannab energiat, mis on võrdeline vastava laine sagedusega. [[1921]]. aastal sai Einstein oma töö eest [[füüsika]]s [[Nobeli preemia]].<ref name="serway_a" />
18. rida: 18. rida:
== Emissiooni mehhanism ==
== Emissiooni mehhanism ==


Vastavalt [[laine-osakese dualismile]] käitub valgus samaaegselt nagu laine ja osake. Valguskimbu footonite energia on proportsionaalne valguse sagedusega. Fotoefekti käigus elektron neelab footoni energia ja omandab materjali [[seoseenergia]]st suurema energia, mille tulemusena lüüakse elektron ainest välja. Kui footoni energia on liiga väike, ei õnnestu elektronil ainest põgeneda. Kui suurendada kiirguse intensiivsust, siis suureneb footonite arv valguskimbus ja kuigi vabanenud elektronide arv kasvab, jääb nende energia samaks. Vabanenud elektronide energia sõltub üksikute footonite energiast või sagedusest, ei sõltu aga pealelangeva valguse intensiivsusest.
Vastavalt [[laine-osake dualism]]ile käitub valgus samaaegselt nagu laine ja osake. Valguskimbu footonite energia on proportsionaalne valguse sagedusega. Fotoefekti käigus elektron neelab footoni energia ja omandab materjali [[seoseenergia]]st suurema energia, mille tulemusena lüüakse elektron ainest välja. Kui footoni energia on liiga väike, ei õnnestu elektronil ainest põgeneda. Kui suurendada kiirguse intensiivsust, siis suureneb footonite arv valguskimbus ja kuigi vabanenud elektronide arv kasvab, jääb nende energia samaks. Vabanenud elektronide energia sõltub üksikute footonite energiast või sagedusest, ei sõltu aga pealelangeva valguse intensiivsusest.


Kiirituse korral saavad elektronid neelata footonite energia, aga nad enamasti järgivad põhimõtet "kõik või mitte midagi": kas neelatakse kogu footoni energia ja kasutatakse see elektroni vabastamiseks aatomist või see eraldub uuesti. Kui footoni energia neelatakse, siis osa energiast vabastab elektroni aatomist ja ülejäänu jääb elektroni [[kineetiline energia|kineetiliseks energiaks]].<ref name="Ref_Lenard">{{cite journal|doi=10.1002/andp.19023130510|title=Über die lichtelektrische Wirkung|year=1902|last1=Lenard|first1=P.|journal=Annalen der Physik|volume=313|issue=5|pages=149–198|bibcode = 1902AnP...313..149L }}</ref><ref name="Ref_Millikan">{{cite journal|doi=10.1103/PhysRev.4.73.2|title=A Direct Determination of "h."|year=1914|last1=Millikan|first1=R.|journal=Physical Review|volume=4|pages=73–75 |bibcode = 1914PhRv....4R..73M }}</ref><ref>{{cite journal|title=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"|url=http://www.fisica.net/quantica/millikan_a_direct_photoelectric_determination_of_plancks_h.pdf| doi=10.1103/PhysRev.7.355 |volume= 7|pages=355–388|year=1916|last1=Millikan|first1=R.|journal=Physical Review|issue=3|bibcode = 1916PhRv....7..355M }}</ref>
Kiirituse korral saavad elektronid neelata footonite energia, aga nad enamasti järgivad põhimõtet "kõik või mitte midagi": kas neelatakse kogu footoni energia ja kasutatakse see elektroni vabastamiseks aatomist või see eraldub uuesti. Kui footoni energia neelatakse, siis osa energiast vabastab elektroni aatomist ja ülejäänu jääb elektroni [[kineetiline energia|kineetiliseks energiaks]].<ref name="Ref_Lenard">{{cite journal|doi=10.1002/andp.19023130510|title=Über die lichtelektrische Wirkung|year=1902|last1=Lenard|first1=P.|journal=Annalen der Physik|volume=313|issue=5|pages=149–198|bibcode = 1902AnP...313..149L }}</ref><ref name="Ref_Millikan">{{cite journal|doi=10.1103/PhysRev.4.73.2|title=A Direct Determination of "h."|year=1914|last1=Millikan|first1=R.|journal=Physical Review|volume=4|pages=73–75 |bibcode = 1914PhRv....4R..73M }}</ref><ref>{{cite journal|title=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"|url=http://www.fisica.net/quantica/millikan_a_direct_photoelectric_determination_of_plancks_h.pdf| doi=10.1103/PhysRev.7.355 |volume= 7|pages=355–388|year=1916|last1=Millikan|first1=R.|journal=Physical Review|issue=3|bibcode = 1916PhRv....7..355M }}</ref>
34. rida: 34. rida:
=== Tõkkepinge ===
=== Tõkkepinge ===


Fotoefekti loomust illustreerib seos voolu ja rakendatud pinge vahel. Olgu meil katseseade, kus klaasballoonis, millest on õhk välja pumbatud, paiknevad kaks [[elektrood]]i. Elektrood, millele langeb valgus, ühendatakse patarei negatiivse [[klemm]]iga. Elektroodidele rakendatud pinget saab muuta [[potentsiomeeter|potentsiomeetriga]]. Valgustatud elektrood emiteerib elektrone, mis tekitavad elektriväljas elektrivoolu. Jättes valgusvoolu konstantseks, kuid muutes elektroodidele rakendatud pinget, suureneb voolutugevus. Mingi kindla väärtuse juures saavutab see maksimaalse väärtuse, mida nimetatakse [[küllastusvool]]uks. Selle tugevuse määrab elektroodilt ühes sekundis lahkunud elekronide arv. Kui pinge on väike, siis ei jõua kõik elektronid teisele elektroodile. Fotovoolu tugevus erineb nullist aga ka siis, kui pinge on null. Seega osa fotoefekti toimel emiteerunud elektrone jõuab teisele elektroodile ka siis, kui elektroodide vahel pinge puudub. Kui muuta vooluallika [[polaarsus]]t, siis voolutugevus väheneb ja muutub mingi pinge <math>U_s</math> juures nulliks. Selle tulemusena pöörduvad kõik elektronid tagasi elektroodile, kust nad emiteerusid.<ref name="serway_c"> /> Füüsika X-XI kl. G. Mjakišev, B. Buhhovtsev, lk 229, 19803</ref>
Fotoefekti loomust illustreerib seos voolu ja rakendatud pinge vahel. Olgu meil katseseade, kus klaasballoonis, millest on õhk välja pumbatud, paiknevad kaks [[elektrood]]i. Elektrood, millele langeb valgus, ühendatakse patarei negatiivse [[klemm]]iga. Elektroodidele rakendatud pinget saab muuta [[potentsiomeeter|potentsiomeetriga]]. Valgustatud elektrood emiteerib elektrone, mis tekitavad elektriväljas elektrivoolu. Jättes valgusvoolu konstantseks, kuid muutes elektroodidele rakendatud pinget, suureneb voolutugevus. Mingi kindla väärtuse juures saavutab see maksimaalse väärtuse, mida nimetatakse [[küllastusvool]]uks. Selle tugevuse määrab elektroodilt ühes sekundis lahkunud elektronide arv. Kui pinge on väike, siis ei jõua kõik elektronid teisele elektroodile. Fotovoolu tugevus erineb nullist aga ka siis, kui pinge on null. Seega osa fotoefekti toimel emiteerunud elektrone jõuab teisele elektroodile ka siis, kui elektroodide vahel pinge puudub. Kui muuta vooluallika [[polaarsus]]t, siis voolutugevus väheneb ja muutub mingi pinge <math>U_s</math> juures nulliks. Selle tulemusena pöörduvad kõik elektronid tagasi elektroodile, kust nad emiteerusid.<ref name="serway_c"> /> Füüsika X-XI kl. G. Mjakišev, B. Buhhovtsev, lk 229, 19803</ref>


Kui <math>m</math> on emiteerunud fotoelektroni mass ja <math>v_max</math> tema maksimaalne kiirus, saame kineetilise energia kirja panna järgmiselt:
Kui <math>m</math> on emiteerunud fotoelektroni mass ja <math>v_max</math> tema maksimaalne kiirus, saame kineetilise energia kirja panna järgmiselt:


<center><math>K_{\mathrm{max}} = \frac {1} {2} m v^2_{\mathrm{max}}</math></center>.
<center><math>K_{\mathrm{max}} = \frac {1} {2} m v^2_{\mathrm{max}}</math>.</center>


[[Tõkkepinge]] <math>U_s</math> väärtus sõltub väljatõrjutud elektronide maksimaalsest kineetilisest energiast järgmiselt:
[[Tõkkepinge]] <math>U_s</math> väärtus sõltub väljatõrjutud elektronide maksimaalsest kineetilisest energiast järgmiselt:
44. rida: 44. rida:
kus <math>e</math> on elektroni laeng.<ref name="serway_c" />
kus <math>e</math> on elektroni laeng.<ref name="serway_c" />


Tõkkepinge on lineaarses sõltuvuses valguse sagedusega, aga sõltub ka materjalist. Emissiooni tekkimiseks, tuleb iga konkreetse materjali jaoks ületada sellele vastav lävisagedus <math>f_0</math>, mis omakorda ei sõltu laine sagedusest, vaid ainult ainelistest omadustest. Näiteks [[germaanium]]dioodi tõkkepinge muutub vahemikus 0,2–0,3 V ja [[silikoon]]dioodil 0,5–0,7 V.<ref name="serway_x">http://ocw.weber.edu/automotive-technology/ausv-1320-automotive-electronics/11-semiconductors/barrier-voltages</ref>
Tõkkepinge on lineaarses sõltuvuses valguse sagedusega, aga sõltub ka materjalist. Emissiooni tekkimiseks, tuleb iga konkreetse materjali jaoks ületada sellele vastav lävisagedus <math>f_0</math>, mis omakorda ei sõltu laine sagedusest, vaid ainult ainelistest omadustest. Näiteks [[germaanium]]dioodi tõkkepinge muutub vahemikus 0,2 – 0,3 V ja [[silikoon]]dioodil 0,5 – 0,7 V.<ref name="serway_x">http://ocw.weber.edu/automotive-technology/ausv-1320-automotive-electronics/11-semiconductors/barrier-voltages</ref>


=== Kolmeastmeline mudel ===
=== Kolmeastmeline mudel ===
50. rida: 50. rida:
Fotoefekti tahkistest käsitletakse tihti kolmeastmelisena:
Fotoefekti tahkistest käsitletakse tihti kolmeastmelisena:
# [[laengukandja]]te loomine tahkises. Elektron [[ergastatud olek|ergastatakse]] algolekust lõppolekusse, mis energeetiliselt asub [[juhtivustsoon]]is.
# [[laengukandja]]te loomine tahkises. Elektron [[ergastatud olek|ergastatakse]] algolekust lõppolekusse, mis energeetiliselt asub [[juhtivustsoon]]is.
# ergastatud elektroni liikumine pinna suunas
# ergastatud elektroni liikumine pinna suunas
# pinnale jõudnud elektroni väljumine aine pinnast.<ref name="serway_d"> Eksperimentaalfüüsika magistrikursus: elektronspektroskoopia praktikum, koostaja Kuno Kooser, Tartu Ülikool, 2007</ref>
# pinnale jõudnud elektroni väljumine aine pinnast.<ref name="serway_d"> Eksperimentaalfüüsika magistrikursus: elektronspektroskoopia praktikum, koostaja Kuno Kooser, Tartu Ülikool, 2007</ref>


== Kasutamine ==
== Kasutamine ==


=== Fotoelemendid ===
=== Fotoelemendid ===
59. rida: 59. rida:
Tänu fotoelementidele saab edasi anda liikuvaid kujutisi. Fotoelektronseadmete kasutamine võimaldab ehitada tööpinke, mis on võimelised detaili valmis tegema jooniste järgi ilma inimese abita. Fotoefektil põhinevaid masinaid kasutatakse täppismõõtmisteks, seadmete õigeaegseks sisselülitamiseks jne.<ref name="serway_c" />
Tänu fotoelementidele saab edasi anda liikuvaid kujutisi. Fotoelektronseadmete kasutamine võimaldab ehitada tööpinke, mis on võimelised detaili valmis tegema jooniste järgi ilma inimese abita. Fotoefektil põhinevaid masinaid kasutatakse täppismõõtmisteks, seadmete õigeaegseks sisselülitamiseks jne.<ref name="serway_c" />


See kõik on võimalik tänu fotoelementide leiutamisele. Fotoelementides valgusenergia juhib [[elektrienergia]]t või muundub selleks. Fotoelement on [[vaakumtoru]], milles on kumer [[katood]], mida kutsutakse [[emitter]]iks ja mis on tehtud metallist, milles elektronide väljumistöö on väike. Kui emitterile langeb valgus, mille sagedus on suurem vastavast lävisagedusest, vabanevad elektronid. [[Anood]]iks on toru keskel olev peenike traat, [[kollektor]], mis on piisavalt peenike, et ei blokeeri valgust. Kollektorile antakse positiivne [[potentsiaal]] ja tema ülesanne on püüda fotoelektrone. Valguse langemisel fotoelemendi katoodile tekib vooluahelas [[elektrivool]], mis rakendab tööle [[relee]] või vajadusel releed. Fotoelemendi ja relee kombinatsioonil põhinevad paljud "nägevad" automaadid, näiteks metroo automaat, mis avab läbipääsu alles siis, kui sellesse on sisestatud piisavalt münte. Taolised automaadid on olulised turvalisuse tagamiseks. Näiteks saab fotoelemendi abil võimas press peaaegu silmapilkselt peatuda, kui inimese käsi on sattunud ohtlikku tsooni.<ref>http://resources.teachnet.ie/dkeenahan/2005/app.html</ref>.<ref name="serway_c" />
See kõik on võimalik tänu fotoelementide leiutamisele. Fotoelementides valgusenergia juhib [[elektrienergia]]t või muundub selleks. Fotoelement on [[vaakumtoru]], milles on kumer [[katood]], mida kutsutakse [[emitter]]iks ja mis on tehtud metallist, milles elektronide väljumistöö on väike. Kui emitterile langeb valgus, mille sagedus on suurem vastavast lävisagedusest, vabanevad elektronid. [[Anood]]iks on toru keskel olev peenike traat, [[kollektor]], mis on piisavalt peenike, et ei blokeeri valgust. Kollektorile antakse positiivne [[potentsiaal]] ja tema ülesanne on püüda fotoelektrone. Valguse langemisel fotoelemendi katoodile tekib vooluahelas [[elektrivool]], mis rakendab tööle [[relee]] või vajadusel releed. Fotoelemendi ja relee kombinatsioonil põhinevad paljud "nägevad" automaadid, näiteks metroo automaat, mis avab läbipääsu alles siis, kui sellesse on sisestatud piisavalt münte. Taolised automaadid on olulised turvalisuse tagamiseks. Näiteks saab fotoelemendi abil võimas press peaaegu silmapilkselt peatuda, kui inimese käsi on sattunud ohtlikku tsooni.<ref>http://resources.teachnet.ie/dkeenahan/2005/app.html</ref><ref name="serway_c" />


=== Fotoelektronspektroskoopia ===
=== Fotoelektronspektroskoopia ===


Kuna emiteerunud fotoelektronide energia on täpses seoses footoni energia ja materjali seoseenergiaga, saab proovi väljumistöö funktsiooni leida, kiiritades seda proovi [[monokromaatsus|monokromaatilise]] [[röntgenkiirgus]]e või ultraviolettkiirgusega ja mõõtes emiteerunud elektronide kineetilist energiat.<ref name="Ref_z">Stefan Hüfner [http://books.google.com/books?id=WfOw6jP9-oIC&printsec=frontcover Photoelectron Spectroscopy Principles and Applications]. Springer, 3rd edition, 2003 ISBN 3-540-41802-4</ref>
Kuna emiteerunud fotoelektronide energia on täpses seoses footoni energia ja materjali seoseenergiaga, saab proovi väljumistöö funktsiooni leida, kiiritades seda proovi [[monokromaatsus|monokromaatilise]] [[röntgenkiirgus]]e või ultraviolettkiirgusega ja mõõtes emiteerunud elektronide kineetilist energiat.<ref name="Ref_z">Stefan Hüfner [http://books.google.com/books?id=WfOw6jP9-oIC&printsec=frontcover Photoelectron Spectroscopy Principles and Applications]. Springer, 3rd edition, 2003 ISBN 3-540-41802-4</ref>
68. rida: 68. rida:


== Viited ==
== Viited ==
{{viited}}
<references/>


[[ar:ظاهرة كهروضوئية]]
[[ar:ظاهرة كهروضوئية]]

Redaktsioon: 5. detsember 2012, kell 00:11

Fotoefekt - Valguse toimel lüüakse elektronid ainest välja

Fotoelektriline efekt ehk fotoefekt on elektronide emissioon metalli (ning teistegi tahkiste, vedelike ja gaaside) pinnalt suure sageduse ja väikese lainepikkusega elektromagnetkiirguse (nt ultraviolettkiirguse) toimel.

Nähtust tuntakse ka Hertzi efektina[1][2], kuigi hilisem termin on leidnud laialdast kasutust. Aine pinnalt kiirguse poolt välja löödud elektrone nimetatakse fotoelektonideks[3][4]. Selle nähtuse avastas Heinrich Hertz 1887. aastal[4][5]. Hertz jälgis ja näitas, et elektriline läbilöök elektroodide vahel tekib kergemini, kui valgustada elektroode ultraviolettkiirgusega.

Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase lävisageduse või lainepikkus olema väiksem piirlainepikkusest . Olenemata valguse intensiivsusest fotoefekti ei teki, kui see tingimus ei ole täidetud.[6]

Tänu fotoefekti uurimisele jõuti lähemale valguse ja elektronide kvantolemuse mõistmisele ja see aitas kaasa valguse dualismi sõnastamisele.[3]

Ajalugu

1887. aastal märkas saksa füüsik Heinrich Hertz, et kui valgustada metallplaati ultraviolettkiirgusega, võib sealt sädemeid lüüa. Teati, et metallid on head elektrijuhid, kuna elektronid on nende aatomiga nõrgemalt seotud ja seega sissetuleva energia järsu suurendamisega saab neid sealt välja lüüa. Mõistatuslik oli aga see, et erinevate metallide jaoks oli emissiooniks vajalik miinimumsagedus erinev. Valguse intensiivsuse tõstmise tagajärjel vabanes rohkem elektrone, kuid nende energia jäi samaks, samas sageduse suurendamisel said elektronid küll suurema energia, kuid nende arv ei muutunud. Seda nähtust hakati kutsuma fotoefektiks.[7]

1900. aastal lahendas Max Planck ülesande musta keha kiirguse kohta, mis näitas, et iga aatom saab neelata või kiirata ainult diskreetse energiaga kvandi . Planck arvas, et kvargi kontsept on lihtsalt matemaatiline trikk, et teooria ühilduks katsega.[7]

1905. aasta märtsis avaldas Albert Einstein artikli, mis andis fotoefektile seletuse. Ta ütles, et valgus on osakeste voog, mille energiad on vastavalt Plancki seadusele seotud nende sagedustega. Kui see kiir suunata metallile, siis footonid põrkuvad aatomitega ja kui footoni sagedus on piisav, et lüüa pinnalt välja elektron, tekib fotoefekt. Valgusosake kannab energiat, mis on võrdeline vastava laine sagedusega. 1921. aastal sai Einstein oma töö eest füüsikas Nobeli preemia.[7]

Emissiooni mehhanism

Vastavalt laine-osake dualismile käitub valgus samaaegselt nagu laine ja osake. Valguskimbu footonite energia on proportsionaalne valguse sagedusega. Fotoefekti käigus elektron neelab footoni energia ja omandab materjali seoseenergiast suurema energia, mille tulemusena lüüakse elektron ainest välja. Kui footoni energia on liiga väike, ei õnnestu elektronil ainest põgeneda. Kui suurendada kiirguse intensiivsust, siis suureneb footonite arv valguskimbus ja kuigi vabanenud elektronide arv kasvab, jääb nende energia samaks. Vabanenud elektronide energia sõltub üksikute footonite energiast või sagedusest, ei sõltu aga pealelangeva valguse intensiivsusest.

Kiirituse korral saavad elektronid neelata footonite energia, aga nad enamasti järgivad põhimõtet "kõik või mitte midagi": kas neelatakse kogu footoni energia ja kasutatakse see elektroni vabastamiseks aatomist või see eraldub uuesti. Kui footoni energia neelatakse, siis osa energiast vabastab elektroni aatomist ja ülejäänu jääb elektroni kineetiliseks energiaks.[8][9][10]

Matemaatiline kirjeldus

Vabanenud elektroni maksimaalne kineetiline energia avaldub kujul

kus on Plancki konstant, footoni sagedus ning väljumistöö (tähistatakse ka ja [11]), mis on minimaalne energia, mille elektron peab omandama, et metalli pinnalt väljuda. See avaldub kujul

=

kus on metalli lävisagedus. Maksimaalne kineetiline energia avaldub seega kujul

Kineetiline energia on alati positiivne, järelikult fotoefekti tekkimiseks peab olema täidetud tingimus .

Tõkkepinge

Fotoefekti loomust illustreerib seos voolu ja rakendatud pinge vahel. Olgu meil katseseade, kus klaasballoonis, millest on õhk välja pumbatud, paiknevad kaks elektroodi. Elektrood, millele langeb valgus, ühendatakse patarei negatiivse klemmiga. Elektroodidele rakendatud pinget saab muuta potentsiomeetriga. Valgustatud elektrood emiteerib elektrone, mis tekitavad elektriväljas elektrivoolu. Jättes valgusvoolu konstantseks, kuid muutes elektroodidele rakendatud pinget, suureneb voolutugevus. Mingi kindla väärtuse juures saavutab see maksimaalse väärtuse, mida nimetatakse küllastusvooluks. Selle tugevuse määrab elektroodilt ühes sekundis lahkunud elektronide arv. Kui pinge on väike, siis ei jõua kõik elektronid teisele elektroodile. Fotovoolu tugevus erineb nullist aga ka siis, kui pinge on null. Seega osa fotoefekti toimel emiteerunud elektrone jõuab teisele elektroodile ka siis, kui elektroodide vahel pinge puudub. Kui muuta vooluallika polaarsust, siis voolutugevus väheneb ja muutub mingi pinge juures nulliks. Selle tulemusena pöörduvad kõik elektronid tagasi elektroodile, kust nad emiteerusid.[12]

Kui on emiteerunud fotoelektroni mass ja tema maksimaalne kiirus, saame kineetilise energia kirja panna järgmiselt:

.

Tõkkepinge väärtus sõltub väljatõrjutud elektronide maksimaalsest kineetilisest energiast järgmiselt:

kus on elektroni laeng.[12]

Tõkkepinge on lineaarses sõltuvuses valguse sagedusega, aga sõltub ka materjalist. Emissiooni tekkimiseks, tuleb iga konkreetse materjali jaoks ületada sellele vastav lävisagedus , mis omakorda ei sõltu laine sagedusest, vaid ainult ainelistest omadustest. Näiteks germaaniumdioodi tõkkepinge muutub vahemikus 0,2 – 0,3 V ja silikoondioodil 0,5 – 0,7 V.[13]

Kolmeastmeline mudel

Fotoefekti tahkistest käsitletakse tihti kolmeastmelisena:

  1. laengukandjate loomine tahkises. Elektron ergastatakse algolekust lõppolekusse, mis energeetiliselt asub juhtivustsoonis.
  2. ergastatud elektroni liikumine pinna suunas
  3. pinnale jõudnud elektroni väljumine aine pinnast.[14]

Kasutamine

Fotoelemendid

Fotoelement

Tänu fotoelementidele saab edasi anda liikuvaid kujutisi. Fotoelektronseadmete kasutamine võimaldab ehitada tööpinke, mis on võimelised detaili valmis tegema jooniste järgi ilma inimese abita. Fotoefektil põhinevaid masinaid kasutatakse täppismõõtmisteks, seadmete õigeaegseks sisselülitamiseks jne.[12]

See kõik on võimalik tänu fotoelementide leiutamisele. Fotoelementides valgusenergia juhib elektrienergiat või muundub selleks. Fotoelement on vaakumtoru, milles on kumer katood, mida kutsutakse emitteriks ja mis on tehtud metallist, milles elektronide väljumistöö on väike. Kui emitterile langeb valgus, mille sagedus on suurem vastavast lävisagedusest, vabanevad elektronid. Anoodiks on toru keskel olev peenike traat, kollektor, mis on piisavalt peenike, et ei blokeeri valgust. Kollektorile antakse positiivne potentsiaal ja tema ülesanne on püüda fotoelektrone. Valguse langemisel fotoelemendi katoodile tekib vooluahelas elektrivool, mis rakendab tööle relee või vajadusel releed. Fotoelemendi ja relee kombinatsioonil põhinevad paljud "nägevad" automaadid, näiteks metroo automaat, mis avab läbipääsu alles siis, kui sellesse on sisestatud piisavalt münte. Taolised automaadid on olulised turvalisuse tagamiseks. Näiteks saab fotoelemendi abil võimas press peaaegu silmapilkselt peatuda, kui inimese käsi on sattunud ohtlikku tsooni.[15][12]

Fotoelektronspektroskoopia

Kuna emiteerunud fotoelektronide energia on täpses seoses footoni energia ja materjali seoseenergiaga, saab proovi väljumistöö funktsiooni leida, kiiritades seda proovi monokromaatilise röntgenkiirguse või ultraviolettkiirgusega ja mõõtes emiteerunud elektronide kineetilist energiat.[16]

Fotoelektronspektroskoopia toimub vaakumis, et ei toimuks elektronide põrkeid gaasikeskkonna molekulidega.[17] Kontsentriline poolsfääriline analüsaator kasutab elektrivälja, et muuta elektronide suunda sõltuvalt nende kineetilisest energiast. Seoseenergia on erinev iga elemendi jaoks. Seega analüsaatori väljund annab graafiku, mille kohalikud maksimumid näitavad ära pinnal olevate ainete koostise.

Viited

  1. ↑ The American journal of science. (1880). New Haven: J.D. & E.S. Dana. p. 234
  2. ↑ Weisstein, Eric W. (2007), Eric Weisstein's World of Physics, Eric Weisstein's World of Science, Wolfram Research
  3. ↑ 3,0 3,1 Serway, Raymond A. (1990). Physics for Scientists & Engineers (3rd ed.). Saunders. Lk 1150. ISBN 0-03-030258-7.
  4. ↑ 4,0 4,1 Sears, Francis W., Mark W. Zemansky and Hugh D. Young (1983), University Physics, Sixth Edition, Addison-Wesley, pp. 843–4. ISBN 0-201-07195-9.
  5. ↑ Hertz, Heinrich (1887). "Über den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung". Annalen der Physik. 267 (8): S. 983–1000. Bibcode:1887AnP...267..983H. DOI:10.1002/andp.18872670827.
  6. ↑ Füüsika põhikursus, II köide, D. Halliday, R. Resnick ja J. Walker, 2008-1012
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 http://www.aps.org/publications/apsnews/200501/history.cfm
  8. ↑ Lenard, P. (1902). "Über die lichtelektrische Wirkung". Annalen der Physik. 313 (5): 149–198. Bibcode:1902AnP...313..149L. DOI:10.1002/andp.19023130510.
  9. ↑ Millikan, R. (1914). "A Direct Determination of "h."". Physical Review. 4: 73–75. Bibcode:1914PhRv....4R..73M. DOI:10.1103/PhysRev.4.73.2.
  10. ↑ Millikan, R. (1916). "A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"" (PDF). Physical Review. 7 (3): 355–388. Bibcode:1916PhRv....7..355M. DOI:10.1103/PhysRev.7.355.
  11. ↑ Mee, Chris (2011). Hodder Education. Lk 241. ISBN 978 0 340 94564 3. is called the work function energy Φ {{cite book}}: eiran tundmatut parameetrit |coauthors=, kasuta parameetrit (|author=) (juhend); parameeter |accessdate= nõuab parameetrit |url= (juhend); puuduv või tühi pealkiri: |title= (juhend)
  12. ↑ 12,0 12,1 12,2 12,3 /> Füüsika X-XI kl. G. Mjakišev, B. Buhhovtsev, lk 229, 19803
  13. ↑ http://ocw.weber.edu/automotive-technology/ausv-1320-automotive-electronics/11-semiconductors/barrier-voltages
  14. ↑ Eksperimentaalfüüsika magistrikursus: elektronspektroskoopia praktikum, koostaja Kuno Kooser, Tartu Ülikool, 2007
  15. ↑ http://resources.teachnet.ie/dkeenahan/2005/app.html
  16. ↑ Stefan Hüfner Photoelectron Spectroscopy Principles and Applications. Springer, 3rd edition, 2003 ISBN 3-540-41802-4
  17. ↑ Weaver, J. H.; Margaritondo, G. (1979). "Solid-State Photoelectron Spectroscopy with Synchrotron Radiation". Science. 206 (4415): 151–156. Bibcode:1979Sci...206..151W. DOI:10.1126/science.206.4415.151. PMID 17801770.
Pärit leheküljelt "https://et.wikipedia.org/w/index.php?title=Fotoefekt&oldid=3335236"