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📜  光电效应——定义、方程、特性、应用

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:38.008000             🧑  作者: Mango

光电效应——定义、方程、特性、应用

物质的双重性质和辐射的双重性质是开创性的物理学概念。科学家在 20 世纪之交发现了自然界保存最完好的秘密之一：波粒二象性，即物质和辐射的双重性质。一切都是由波和粒子组成的。

什么是光子？

光子不断地运动，并以 2.998 x 10 8 m/s 的恒定速度传播到真空中的所有观察者。光速，用字母c 表示。每个光子都有特定数量的能量和动量。光子的能量由以下提供，

E=hν

在哪里，

  • h 是普朗克常数。普朗克常数的值为 h=6.626×10 –34 J s
  • v 是光的频率。

光子的动量由下式给出，

p=h/λ

在哪里，

  • λ是光的波长。
  • h 是普朗克常数。

光子的性质

光子具有以下基本属性：

  • 单位时间内穿过一个区域的光子数量随着光强度的增加而增加。它对辐射的能量没有影响。
  • 电场和磁场对光子没有影响。它没有电荷。
  • 光子是无质量的。
  • 这是一个结构坚固的粒子。
  • 当辐射被发射或吸收时，会产生或破坏光子。
  • 在光子-电子碰撞过程中，整个能量和动量是守恒的。
  • 光子不能自行衰变。
  • 当光子与其他粒子相互作用时，它的能量可以转移。
  • 与自旋为 1/2 的电子相比，光子的自旋为 1。它的自旋轴垂直于行进方向。光子的这一特性支持光的偏振。

光电效应

Wilhelm Ludwig Franz Hallwachs 是第一个注意到光电效应的人，Heinrich Rudolf Hertz 后来证实了这一点。爱因斯坦解释了这种现象以及光的量子性质。 1921年，爱因斯坦因在光电效应方面的工作获得诺贝尔物理学奖。

光电效应的阈值能量

撞击金属表面的光子必须有足够的能量来克服将电子与原子核结合的吸引力，才能产生光电效应。阈值能量（由符号 Φ 表示）是从金属中去除电子所需的最少能量。光子的频率必须与阈值频率相同，才能使其具有与阈值能量相同的能量（这是发生光电效应所需的光的最小频率）。对应的波长（称为阈值波长）一般用符号λ th表示，阈值频率通常用符号ν th表示。以下是阈值能量和阈值频率之间的联系。

Φ = hν th = hc / λ th

光电效应的最低条件

  • 阈值频率 (γ th )：金属的阈值频率是入射光或辐射的最低频率，它会产生光电效应，即从金属表面射出光电子。对于一种金属，它是恒定的，但各种金属可能具有不同的值。

如果 γ = 入射光子的频率并且 γth = 阈值频率，那么，

  1. 如果 γ < γ th ，则不会发生光电子喷射，因此不会产生光电效应。
  2. 如果 γ=γ th ，光电子被简单地从金属表面排出，电子的动能为零。
  3. 如果 γ>γ th ，则光电子和动能将从表面射出。
  • 阈值波长 (λ th )：对入射光具有最大波长的金属表面称为电子发射过程中的阈值波长。

λ th = c/γ th

对于 λ = 入射光子的波长，则

  1. 如果 λ<λ th ，就会发生光电效应，并且被驱逐的电子将具有动能。
  2. 如果 λ= λ th ，则只发生光电效应，射出的光电子的动能为零。
  3. 如果 λ>λ th ，将没有光电效应。
  • 功函数或阈值能量 (Φ)：功函数/阈值能量是将电子从导体移到导体表面外的真空位置所需的最小热力学功。

Φ = hγ th = hc/λ th

如果 E = 入射光子的能量，则

  1. 如果E<Φ，就没有光电效应。
  2. 如果 E =Φ，则只发生光电效应，但被排出的光电子的动能为 0。
  3. 如果 E > 光电子，则光电子将为零。
  4. 如果E >Φ，就会发生光电效应，被驱逐的电子拥有动能。

光电效应原理：在光电效应中用光照射金属表面，当光落在金属表面时，发生光发射，从金属表面射出光电子。波光子的能量传递给金属原子的电子，使电子被激发并以一定的速度被排出。

光电效应方程

光子的能量等于金属的阈值能量和光电子的动能之和。

因此，光电波方程由下式给出，

KE max =hv–φ

在哪里，

  • KE max是光电子的最大动能
  • hv 是光子的能量。
  • φ 是金属的功函数

函数由所讨论的金属决定，如果金属改变，功函数就会改变。功函数有时用阈值频率来定义，阈值频率是发射光电子的最大动能为零的光的频率。

φ=hv 0

在哪里，

  • v 0是阈值频率。
  • h 是普朗克常数。

随着光强度的增加，最大动能保持不变，但光电流值增加。

光电效应的特点

  • 阈值频率因材料而异；不同的材料具有不同的阈值频率。
  • 光电流与光的强度成正比。
  • 光电子的动能与光的频率有关。
  • 频率与停止电位成正比，并且该过程是即时的。

影响光电效应的因素

光电效应取决于：

  1. 入射辐射的强度。
  2. 金属板和集电极之间的电位差。
  3. 入射辐射的频率。

光电效应的应用

  • 太阳能电池板使用它来发电。这些面板中的金属组合允许从各种波长产生电力。
  • 运动和位置传感器：在这种情况下，光电材料放置在 UV 或 IR LED 的前面。当物体放置在 LED 和传感器之间时，灯会关闭，电子电路会识别电位差的变化。
  • 智能手机中的照明传感器可以根据环境光自动调整屏幕亮度。这是因为当前由光电效应产生的数量与照射传感器的光量成正比。
  • 数码相机可以检测和记录光，因为它们具有响应不同颜色光的光电传感器。
  • X 射线光电子能谱 (XPS)：这种方法涉及用 X 射线照射表面并测量释放的电子的动能。可以获取表面化学的重要特征，例如元素组成、化学组成、化合物的经验式和化学状态。
  • 在防盗报警器中，使用了光电电池。
  • 光电倍增管使用它来检测低光水平。
  • 在电视的早期，它被用于摄像机管。
  • 这种现象用于夜视系统。
  • 光电效应在核反应的研究中也很有用。因为释放的电子倾向于携带原子源特有的特定能量，所以它被用于材料的化学研究。

示例问题

问题1：光子的质量是多少？

回答：

问题2：什么是阈值频率？

回答：

问题 3：波长为 4000Å 的光入射到功函数为 2eV 的金属板上。发射光电子的最大动能是多少？

回答：

问题 4：在能量为 2eV 的情况下，阻止功函数为 1.2eV 的金属表面射出光电子所需的延迟电势值为

回答：

问题 5：什么是停止潜力？

回答：

问题6：什么是功函数？

回答：