اثر فوتوالکتریک

آلبرت اینشتین رابرت میلیکان فیلیپ لنارد

موضوعات مرتبط:

رسانایی نوری رابطه انیشتین تابع کار فوتوالکترون فوتوالکترون فرکانس آستانه فوتوالکتریک

در نظر بگیرید که چگونه کشف اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز منجر به نظریه نور آلبرت انیشتین شد.

اثر فوتوالکتریک ، پدیده‌ای که در آن ذرات باردار الکتریکی از یا درون ماده‌ای که جذب می‌شوند آزاد می‌شوند.تابش الکترومغناطیسی . اثر اغلب به عنوان بیرون ریختن تعریف می شودالکترون ها از a صفحه فلزی وقتی نور روی آن می افتد. در یک تعریف گسترده تر،انرژی تابشی ممکن است نور مادون قرمز ، مرئی یا فرابنفش ، اشعه ایکس یا اشعه گاما باشد. ماده ممکن است جامد، مایع یا گاز باشد. و ذرات آزاد شده ممکن است یون ها (اتم ها یا مولکول های باردار الکتریکی) و همچنین الکترون ها باشند. این پدیده به دلیل پرسش‌های گیج‌کننده‌ای که در مورد ماهیت نور - رفتار ذرات در مقابل موج - که در نهایت توسط آلبرت انیشتین در سال 1905 حل شد، اساساً در توسعه فیزیک مدرن مهم بود. به اخترفیزیک و همچنین پایه و اساس انواع دستگاه های مفید را تشکیل می دهد.

کشف و کار اولیه

اثر فوتوالکتریک در سال 1887 توسط فیزیکدان آلمانی کشف شدهاینریش رودولف هرتز . در ارتباط با کار بر روی امواج رادیویی، هرتز مشاهده کرد که وقتی نور فرابنفش به دو الکترود فلزی با ولتاژ اعمال شده در آنها می تابد، نور ولتاژی را که جرقه در آن اتفاق می افتد تغییر می دهد. این رابطه بین نور و الکتریسیته (بنابراین فوتوالکتریک ) در سال 1902 توسط یک فیزیکدان آلمانی دیگر روشن شد.فیلیپ لنارد او نشان داد که ذرات باردار الکتریکی از سطح فلزی که روشن می شود آزاد می شوند و این ذرات با الکترون ها که توسط فیزیکدان بریتانیایی جوزف جان تامسون در سال 1897 کشف شده بود، یکسان هستند.

تحقیقات بیشتر نشان داد که اثر فوتوالکتریک نشان دهنده یک برهمکنش بین نور و ماده است که توسط فیزیک کلاسیک قابل توضیح نیست، که نور را به عنوان یک موج الکترومغناطیسی توصیف می کند. یکی از مشاهدات غیرقابل توضیح این بود که حداکثرانرژی جنبشی الکترون‌های آزاد شده، همانطور که طبق نظریه موج انتظار می‌رفت، با شدت نور تغییر نمی‌کرد، بلکه متناسب با شدت نور بود.فرکانس نور چیزی که شدت نور تعیین کرد، تعداد الکترون های آزاد شده از فلز بود (که به صورت یک اندازه گیری می شود جریان الکتریکی ). مشاهدات گیج کننده دیگر این بود که عملاً هیچ فاصله زمانی بین ورود تابش و گسیل الکترون وجود نداشت.

اثر فوتوالکتریک: کشف برنده جایزه نوبل انیشتین

توجه به این رفتارهای غیرمنتظره منجر شدآلبرت انیشتین در سال 1905 نظریه جدیدی از نور را فرموله کرد که در آن هر ذره نور یا فوتون حاوی مقدار ثابتی انرژی یا کوانتومی است که به فرکانس نور بستگی دارد. به ویژه، یک فوتون حامل انرژی E برابر با h f است، که در آن f فرکانس نور و h ثابت جهانی است که فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک در سال 1900 برای توضیح این موضوع به دست آورد.توزیع طول موج تابش جسم سیاه - یعنی تابش الکترومغناطیسی ساطع شده از جسم داغ. این رابطه همچنین ممکن است به شکل معادل E = hc /λ نوشته شود، که در آن c سرعت نور و λ طول موج آن است، که نشان می دهد انرژی فوتون با طول موج آن نسبت معکوس دارد.

مسابقه بریتانیکا

فیزیک و حقوق طبیعی

چه نیرویی حرکت را کند می کند؟ برای هر عملی برابر و مخالف چیست؟ هیچ چیز E = mc مربع در مورد شرکت در این مسابقه فیزیک وجود ندارد.

انیشتین فرض می‌کرد که فوتون به ماده نفوذ می‌کند و انرژی آن را به الکترون منتقل می‌کند. همانطور که الکترون با سرعت زیاد در فلز حرکت می کند و در نهایت از ماده خارج می شود، انرژی جنبشی آن به مقدار ϕ کاهش می یابد که به آن "تابع کار (شبیه تابع کار الکترونیکی )، که نشان دهنده انرژی مورد نیاز برای فرار الکترون از فلز است. با پایستگی انرژی ، این استدلال انیشتین را به معادله فوتوالکتریک E k = h f − φ هدایت کرد، که در آن Ek حداکثر انرژی جنبشی الکترون پرتاب شده است.

اگرچه مدل انیشتین گسیل الکترون‌ها را از یک صفحه روشن توصیف می‌کرد، فرضیه فوتون او به اندازه‌ای رادیکال بود که تا زمانی که تأیید آزمایشی بیشتری دریافت نکرد، مورد پذیرش جهانی قرار نگرفت. تأیید بیشتر در سال 1916 زمانی رخ داد که اندازه گیری های بسیار دقیق توسط فیزیکدان آمریکایی رابرت میلیکان معادله انیشتین را تأیید کرد و با دقت بالا نشان داد که مقدار ثابت h اینشتین با ثابت پلانک یکسان است . اینشتین سرانجام در سال 1921 برای توضیح اثر فوتوالکتریک جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

اشتراک Britannica Premium را دریافت کنید و به محتوای انحصاری دسترسی پیدا کنید.اکنون مشترک شوید

در سال 1922، فیزیکدان آمریکایی، آرتور کامپتون ، تغییر طول موج پرتوهای ایکس را پس از برهمکنش آنها با الکترون‌های آزاد اندازه‌گیری کرد و نشان داد که این تغییر را می‌توان با در نظر گرفتن پرتوهای ایکس که از فوتون‌ها ساخته شده‌اند، محاسبه کرد. کامپتون برای این کار جایزه نوبل فیزیک 1927 را دریافت کرد. در سال 1931 ریاضیدان بریتانیایی رالف هوارد فاولر درک گسیل فوتوالکتریک را با ایجاد رابطه بین جریان فوتوالکتریک و دما در فلزات گسترش داد. تلاش‌های بیشتر نشان داد که تشعشعات الکترومغناطیسی نیز می‌توانند الکترون‌ها را در داخل ساطع کنند عایق هایی که الکتریسیته را رسانا نمی کنند و در نیمه هادی ها انواع عایق هایی هستند که فقط تحت شرایط خاصی جریان الکتریسیته را هدایت می کنند.

اصول فوتوالکتریک

بر اساس مکانیک کوانتومی ، الکترون های متصل به اتم ها در پیکربندی های الکترونیکی خاصی رخ می دهند . بالاترین پیکربندی انرژی (یا باند انرژی) که معمولاً توسط الکترون ها برای یک ماده معین اشغال می شود به عنوانباند ظرفیت و درجه پر شدن آن تا حد زیادی هدایت الکتریکی ماده را تعیین می کند. در یک هادی معمولی (فلز)، نوار ظرفیت تقریباً نیمی از الکترون ها پر شده است که به راحتی از اتمی به اتم دیگر حرکت می کنند و جریانی را حمل می کنند. در یک عایق خوب ، مانند شیشه یا لاستیک، نوار ظرفیت پر می شود و این الکترون های ظرفیت تحرک بسیار کمی دارند . مانند عایق ها،نیمه هادی ها معمولاً نوارهای ظرفیت خود را پر می کنند، اما برخلاف عایق ها، انرژی بسیار کمی برای برانگیختن یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار انرژی مجاز بعدی - معروف بهنوار رسانایی ، زیرا هر الکترونی که به این سطح انرژی بالاتر برانگیخته شود نسبتاً آزاد است. به عنوان مثال، "گپ" برای سیلیکون 1.12 eV ( الکترون ولت ) و گالیم آرسنید 1.42 eV است. این در محدوده انرژی حمل شده توسط فوتون های مادون قرمز و نور مرئی است، که بنابراین می تواند الکترون ها را در نیمه هادی ها به نوار رسانایی برساند. (برای مقایسه، یک باتری چراغ قوه معمولی 1.5 eV را به هر الکترونی که از آن عبور می‌کند می‌افزاید. برای غلبه بر شکاف باند در عایق‌ها، تابش انرژی بسیار بیشتری لازم است.) بسته به نحوه پیکربندی مواد نیمه‌رسانا، این تابش ممکن است افزایش یابد.هدایت الکتریکی آن با افزودن به جریان الکتریکی که قبلاً توسط یک ولتاژ اعمال شده القا شده است ( نگاه کنید به رسانایی نوری )، یا ممکن است ولتاژی مستقل از هر منبع ولتاژ خارجی ایجاد کند ( اثر فتوولتائیک را ببینید ).

رسانایی نوری از الکترون های آزاد شده توسط نور و همچنین از جریان بار مثبت ناشی می شود. الکترون‌های افزایش‌یافته به نوار رسانایی مربوط به بارهای منفی از دست رفته در باند ظرفیتی است که «حفره» نامیده می‌شود. هر دو الکترون ها و حفره ها جریان جریان را هنگامی که نیمه هادی روشن می شود افزایش می دهند.

دراثر فتوولتائیک ، ولتاژ زمانی ایجاد می‌شود که الکترون‌های آزاد شده توسط نور فرودی از حفره‌هایی که تولید می‌شوند جدا می‌شوند و باعث ایجاد اختلاف در پتانسیل الکتریکی می‌شوند. این معمولاً با استفاده از اتصال p - n به جای یک نیمه هادی خالص انجام می شود. یک اتصال p - n در محل اتصال بین نیمه هادی های نوع p (مثبت) و نوع n (منفی) رخ می دهد. این نواحی متضاد با افزودن ناخالصی های مختلف برای تولید الکترون های اضافی ( نوع n ) یا سوراخ های اضافی ( p) ایجاد می شوند.-نوع). روشنایی الکترون‌ها و حفره‌ها را در دو طرف اتصال آزاد می‌کند تا ولتاژی در سراسر اتصال ایجاد کند که می‌تواند جریان را به حرکت درآورد و در نتیجه نور را به نیروی الکتریکی تبدیل کند .

سایر اثرات فوتوالکتریک ناشی از تابش در فرکانس های بالاتر است، ماننداشعه ایکس واشعه گاما این فوتون‌های پرانرژی حتی می‌توانند الکترون‌ها را در نزدیکی هسته اتم آزاد کنند، جایی که به شدت به هم متصل هستند. هنگامی که چنین الکترون داخلی پرتاب می شود، یک الکترون بیرونی با انرژی بالاتر به سرعت پایین می آید تا جای خالی را پر کند. انرژی اضافی منجر به گسیل یک یا چند الکترون اضافی از اتم می شود که به آن اتم می گوینداثر مارپیچ .

همچنین در انرژی های فوتون بالا دیده می شوداثر کامپتون ، که هنگام برخورد یک فوتون پرتو ایکس یا پرتو گاما با یک الکترون به وجود می آید. اثر را می توان با همان اصولی که بر آن حاکم است تحلیل کردبرخورد بین هر دو جسم، از جمله حفظ تکانه . فوتون انرژی خود را به الکترون از دست می دهد، کاهشی که مطابق با افزایش طول موج فوتون مطابق با رابطه انیشتین E = hc / λ است. هنگامی که برخورد به گونه ای باشد که الکترون و بخش فوتون در زوایای قائم با یکدیگر قرار گیرند، طول موج فوتون با مقدار مشخصی به نام طول موج کامپتون، 2.43 × 10-12 متر افزایش می یابد.

برنامه های کاربردی

دستگاه های مبتنی بر اثر فوتوالکتریک دارای چندین ویژگی مطلوب هستند، از جمله تولید جریانی که مستقیماً با شدت نور متناسب است و زمان پاسخگویی بسیار سریع. یکی از دستگاه های اساسی است سلول فوتوالکتریک یا فتودیود. در اصل، این یک لوله نوری بود، یک لوله خلاء حاوی یک کاتد ساخته شده از فلز با عملکرد کوچک به طوری که الکترون ها به راحتی ساطع می شوند. جریان آزاد شده توسط صفحه توسط یک آند که در یک ولتاژ مثبت بزرگ نسبت به کاتد نگه داشته می شود جمع آوری می شود. فتولوله‌ها با فتودیودهای نیمه‌رسانا جایگزین شده‌اند که می‌توانند نور را تشخیص دهند ، شدت آن را اندازه‌گیری کنند، سایر دستگاه‌ها را به عنوان تابعی از روشنایی کنترل کنند و نور را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. این دستگاه‌ها در ولتاژهای پایین کار می‌کنند که با فاصله‌های باندشان قابل مقایسه است و در کنترل فرآیندهای صنعتی، نظارت بر آلودگی، تشخیص نور در داخل استفاده می‌شوند. شبکه های مخابراتی فیبر نوری ،سلول های خورشیدی ، تصویربرداری، و بسیاری از کاربردهای دیگر.

سلول های رسانای نوری از نیمه هادی هایی با شکاف های باندی ساخته شده اند که مطابق با انرژی فوتون های قابل سنجش است. به عنوان مثال، نورسنج های عکاسی و سوئیچ های خودکار برای روشنایی خیابان ها در طیف مرئی عمل می کنند، بنابراین آنها معمولاً از سولفید کادمیوم ساخته می شوند. آشکارسازهای مادون قرمز، مانند حسگرهایی برای کاربردهای دید در شب، ممکن است از سولفید سرب یا تلورید کادمیوم جیوه ساخته شوند.

دستگاه های فتوولتائیک معمولاً یک اتصال نیمه هادی p - n را در خود جای می دهند. برای استفاده از سلول های خورشیدی ، آنها معمولاً از سیلیکون کریستالی ساخته می شوند و حدود 15 درصد از انرژی نور تابشی را به الکتریسیته تبدیل می کنند . سلول های خورشیدی اغلب برای تامین انرژی نسبتاً کمی در محیط های خاص مانند ماهواره های فضایی و تاسیسات تلفن از راه دور استفاده می شوند. توسعه مواد ارزان‌تر و راندمان بالاتر ممکن است انرژی خورشیدی را از نظر اقتصادی برای کاربردهای بزرگ مقرون‌به‌صرفه کند.

این لوله فتومولتی پلایر یک گسترش بسیار حساس از لوله نوری است که برای اولین بار در دهه 1930 ساخته شد و شامل یک سری صفحات فلزی به نام داینود است. برخورد نور به کاتد باعث آزاد شدن الکترون می شود. اینها به دینود اول جذب می شوند، جایی که الکترون های اضافی را آزاد می کنند که به داینود دوم برخورد می کند و غیره. پس از حداکثر 10 مرحله داینودی، جریان نوری به‌قدری بسیار زیاد تقویت می‌شود که برخی از فتو ضرب‌کننده‌ها می‌توانند عملاً یک فوتون را شناسایی کنند. این دستگاه‌ها یا نسخه‌های حالت جامد با حساسیت مشابه، در تحقیقات طیف‌سنجی ، جایی که اغلب اندازه‌گیری منابع نور بسیار ضعیف ضروری است، بسیار ارزشمند هستند. آنها همچنین در شمارنده های سوسوزن استفاده می شوند که حاوی ماده‌ای هستند که در اثر برخورد اشعه ایکس یا پرتو گاما، فلاش‌های نور تولید می‌کنند، همراه با یک فتو ضرب‌کننده که فلاش‌ها را می‌شمرد و شدت آنها را اندازه‌گیری می‌کند. این شمارنده ها از کاربردهایی مانند شناسایی ایزوتوپ های خاص برای آنالیز ردیاب هسته ای و تشخیص اشعه ایکس مورد استفاده در اسکن های توموگرافی محوری کامپیوتری (CAT) برای به تصویر کشیدن یک مقطع از بدن پشتیبانی می کنند.

فوتودیودها و فتومولتی پلایرها نیز به فناوری تصویربرداری کمک می کنند . تقویت کننده های نور یاتقویت کننده های تصویر ، دوربین تلویزیون لوله‌ها و لوله‌های ذخیره‌سازی تصویر از این واقعیت استفاده می‌کنند که گسیل الکترون از هر نقطه روی کاتد با تعداد فوتون‌هایی که به آن نقطه می‌رسند تعیین می‌شود. یک تصویر نوری که در یک طرف کاتد نیمه‌شفاف قرار می‌گیرد، در سمت دیگر به تصویر «جریان الکترونی» معادل تبدیل می‌شود. سپس از میدان های الکتریکی و مغناطیسی برای متمرکز کردن الکترون ها بر روی صفحه فسفری استفاده می شود . هر الکترونی که به فسفر برخورد می کند، فلاش نور تولید می کند که باعث آزاد شدن تعداد زیادی الکترون از نقطه مربوطه در کاتد درست در مقابل فسفر می شود. تصویر تشدید شده به دست آمده را می توان با همان فرآیند بیشتر تقویت کرد تا تقویت بیشتری ایجاد کند و نمایش داده یا ذخیره شود.

در انرژی های فوتون بالاتر، تجزیه و تحلیل الکترون های ساطع شده توسط اشعه ایکس اطلاعاتی در مورد الکترونیک می دهدانتقال در میان حالات انرژی در اتم ها و مولکول ها همچنین به مطالعه برخی فرآیندهای هسته ای کمک می کند و در تجزیه و تحلیل شیمیایی مواد نقش دارد، زیرا الکترون های ساطع شده انرژی خاصی را حمل می کنند که مشخصه منبع اتمی است. اثر کامپتون همچنین برای تجزیه و تحلیل خواص مواد و در نجوم برای تجزیه و تحلیل پرتوهای گامایی که از منابع کیهانی می آیند استفاده می شود.

ویراستاران دایره المعارف بریتانیکا

منبع

https://www.britannica.com/science/photoelectric-effect/Applications

+ نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 7:0 توسط علی رضا نقش |

4-اثر فوتوالکتریک

فضاپیما [ ویرایش ]

اثر فوتوالکتریک باعث می شود فضاپیماهای در معرض نور خورشید بار مثبت ایجاد کنند. این می تواند یک مشکل بزرگ باشد، زیرا قسمت های دیگر فضاپیما در سایه هستند که منجر به ایجاد بار منفی از پلاسماهای مجاور فضاپیما می شود. عدم تعادل می تواند از طریق اجزای الکتریکی ظریف تخلیه شود. بار استاتیکی که توسط اثر فوتوالکتریک ایجاد می‌شود، خود محدودکننده است، زیرا یک جسم با بار بالاتر، الکترون‌های خود را به راحتی رها نمی‌کند. [55] [56]

غبار ماه [ ویرایش ]

برخورد نور خورشید به غبار ماه باعث می شود که از اثر فوتوالکتریک به طور مثبت باردار شود. گرد و غبار باردار سپس خود را دفع می کند و با حرکت الکترواستاتیکی از سطح ماه بلند می شود . [57] [58] این خود را تقریباً مانند یک "جو از غبار" نشان می دهد، که به صورت یک مه نازک و تار شدن ویژگی های دور قابل مشاهده است، و به عنوان یک درخشش کم رنگ پس از غروب خورشید قابل مشاهده است. این اولین بار توسط کاوشگر برنامه Surveyor در دهه 1960 عکسبرداری شد، [59] و اخیراً مریخ نورد Chang'e 3 رسوب گرد و غبار را بر روی سنگ های ماه به ارتفاع حدود 28 سانتی متر مشاهده کرد. [60]تصور می‌شود که کوچک‌ترین ذرات کیلومترها از سطح دفع می‌شوند و این ذرات در حین شارژ و تخلیه در «چشمه‌ها» حرکت می‌کنند. [61]

فرآیندهای رقابتی و مقطع انتشار نور [ ویرایش ]

وقتی انرژی فوتون به اندازه انرژی استراحت الکترون است511 کو ، فرآیند دیگری، پراکندگی کامپتون ، ممکن است اتفاق بیفتد. بیش از دو برابر این انرژی، در احتمال تولید جفت 1.022 مگا الکترون ولت نیز بیشتر است. [62] پراکندگی کامپتون و تولید جفت نمونه هایی از دو مکانیسم رقیب دیگر هستند.

حتی اگر اثر فوتوالکتریک واکنش مطلوب برای یک برهمکنش خاص یک فوتون منفرد با یک الکترون محدود باشد، نتیجه نیز تابع آمار کوانتومی است و تضمین نمی‌شود. احتمال وقوع اثر فوتوالکتریک با سطح مقطع برهمکنش، σ اندازه گیری می شود. مشخص شده است که این تابعی از عدد اتمی اتم هدف و انرژی فوتون است. در یک تقریب خام، برای انرژی های فوتون بالاتر از بالاترین انرژی اتصال اتمی، مقطع به صورت زیر به دست می آید: [63]

$\sigma ={\mathrm {constant}}\cdot {\frac {Z^{n}}{E^{3}}}$

در اینجا Z عدد اتمی و n عددی است که بین 4 و 5 متغیر است. با افزایش انرژی فوتون، اهمیت اثر فوتوالکتریک به سرعت در ناحیه پرتو گامای طیف کاهش می‌یابد. همچنین احتمال آن از عناصری با عدد اتمی بالا بیشتر است. در نتیجه، مواد با Z بالا سپرهای پرتو گاما خوبی ایجاد می‌کنند ، که دلیل اصلی ترجیح و استفاده گسترده‌تر از سرب ( Z = 82) است. [64]

همچنین ببینید [ ویرایش ]

برهمکنش نور-ماده

پدیده های کم انرژی:
اثر فوتوالکتریک
پدیده های انرژی میانی:
تامسون در حال پراکندگی
پراکندگی کامپتون
پدیده های پر انرژی:
تولید جفت
از هم گسیختگی عکس
فتوفیژن
v تی ه

منبع

https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect

+ نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:39 توسط علی رضا نقش |

3-اثر فوتوالکتریک

تاریخچه [ ویرایش ]

قرن 19 [ ویرایش ]

در سال 1839، الکساندر ادموند بکرل در حین مطالعه تأثیر نور بر سلول های الکترولیتی ، اثر فتوولتائیک را کشف کرد . [21] اگرچه معادل اثر فوتوالکتریک نیست، کار او روی فتوولتائیک در نشان دادن رابطه قوی بین نور و خواص الکترونیکی مواد مؤثر بود. در سال 1873، ویلوبی اسمیت در حین آزمایش این فلز برای خواص مقاومت بالای آن در ارتباط با کار خود در مورد کابل های تلگراف زیردریایی، رسانایی نوری را در سلنیوم کشف کرد. [22]

یوهان الستر (1854-1920) و هانس گایتل (1855-1923)، دانش‌آموزانی در هایدلبرگ ، اثرات تولید شده توسط نور بر اجسام برق‌دار را بررسی کردند و اولین سلول‌های فوتوالکتریک عملی را توسعه دادند که می‌توان از آنها برای اندازه‌گیری شدت نور استفاده کرد. [23] [24] : 458 آنها فلزات را با توجه به قدرت تخلیه الکتریسیته منفی مرتب کردند: روبیدیم ، پتاسیم ، آلیاژ پتاسیم و سدیم، سدیم ، لیتیوم ، منیزیم ، تالیم و روی . برای مس ، پلاتین ، سرب ،اثرات آهن ، کادمیوم ، کربن و جیوه با نور معمولی آنقدر کوچک بود که قابل اندازه‌گیری نبود. ترتیب فلزات برای این اثر مانند سری Volta برای تماس با الکتریسیته بود، الکتروپوزیتیوترین فلزات بزرگترین اثر فوتوالکتریک را ارائه می دهند.

الکتروسکوپ ورق طلا برای نشان دادن اثر فوتوالکتریک. هنگامی که الکتروسکوپ دارای بار منفی است، الکترون های اضافی وجود دارد و برگ ها از هم جدا می شوند. اگر نور با طول موج کوتاه و فرکانس بالا (مانند نور فرابنفش حاصل از یک لامپ قوس الکتریکی ، یا با سوزاندن منیزیم، یا با استفاده از سیم پیچ القایی بین پایانه های روی یا کادمیوم برای تولید جرقه) به درپوش بتابد، الکتروسکوپ تخلیه می شود و برگها سست می ریزند با این حال، اگر فرکانس امواج نور کمتر از مقدار آستانه برای کلاهک باشد، مهم نیست که چه مدت نور را به درپوش بتاباند، برگها تخلیه نمی شوند.

در سال 1887، هاینریش هرتز اثر فوتوالکتریک [25] را مشاهده کرد و در مورد تولید و دریافت [26] امواج الکترومغناطیسی گزارش داد. [27] گیرنده در دستگاه او از یک سیم پیچ با شکاف جرقه تشکیل شده بود، جایی که با تشخیص امواج الکترومغناطیسی جرقه ای دیده می شود. او دستگاه را در جعبه ای تاریک قرار داد تا جرقه را بهتر ببیند. با این حال، او متوجه شد که حداکثر طول جرقه در داخل جعبه کاهش می یابد. یک صفحه شیشه ای که بین منبع امواج الکترومغناطیسی و گیرنده قرار گرفته است، تابش فرابنفش را جذب می کند که به الکترون ها در پرش از شکاف کمک می کند. در صورت حذف، طول جرقه افزایش می یابد. او وقتی شیشه را با کوارتز جایگزین کرد، هیچ کاهشی در طول جرقه مشاهده نکرد، زیرا کوارتز اشعه UV را جذب نمی کند.

اکتشافات هرتز منجر به یک سری تحقیقات توسط Hallwachs ، [28] [29] Hoor، [30] Righi [31] و Stoletov [32] [33] در مورد تأثیر نور، و به ویژه اشعه ماوراء بنفش، بر باردار شد. بدن. Hallwachs یک صفحه روی را به یک الکتروسکوپ متصل کرد. او به نور فرابنفش اجازه داد تا روی یک صفحه روی تازه تمیز شده بیفتد و مشاهده کرد که صفحه روی اگر در ابتدا بار منفی داشته باشد، باردار شود، اگر در ابتدا شارژ نشده باشد، بار مثبت داشته باشد، و اگر در ابتدا بار مثبت داشته باشد، بار مثبت بیشتری داشته باشد. از این مشاهدات او به این نتیجه رسید که برخی از ذرات با بار منفی از صفحه روی در هنگام قرار گرفتن در معرض نور ماوراء بنفش ساطع می شوند.

با توجه به اثر هرتز ، محققان از همان ابتدا پیچیدگی پدیده خستگی فوتوالکتریک را نشان دادند - کاهش تدریجی اثر مشاهده شده بر روی سطوح فلزی تازه. به گفته هالواکس، ازن نقش مهمی در این پدیده بازی کرد، [34] و انتشار تحت تأثیر اکسیداسیون، رطوبت، و درجه صیقل دادن سطح قرار گرفت. در آن زمان مشخص نبود که آیا خستگی در خلاء وجود ندارد یا خیر.

در دوره 1888 تا 1891، تجزیه و تحلیل دقیق اثر فوتو توسط الکساندر استولتوف با نتایج گزارش شده در شش نشریه انجام شد. [33] استولتوف یک تنظیم آزمایشی جدید را اختراع کرد که برای تجزیه و تحلیل کمی از اثر فوتویی مناسب‌تر بود. او تناسب مستقیمی بین شدت نور و جریان فوتوالکتریک القایی (قانون اول اثر فوتو یا قانون استولتوف ) کشف کرد. او وابستگی شدت جریان الکتریکی عکس را به فشار گاز اندازه‌گیری کرد، جایی که او وجود فشار گاز بهینه مطابق با حداکثر جریان نوری را یافت . از این خاصیت برای ساخت سلول های خورشیدی استفاده شد. [استناد مورد نیاز ]

بسیاری از مواد علاوه بر فلزات تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش، الکتریسیته منفی را تخلیه می کنند. GC Schmidt [35] و O. Knoblauch [36] فهرستی از این مواد را تهیه کردند.

در سال 1897، جی جی تامسون نور فرابنفش را در لوله های کروکس بررسی کرد. [37] تامسون استنباط کرد که ذرات پرتاب شده، که او آنها را ذرات نامید، ماهیت مشابهی با پرتوهای کاتدی دارند. این ذرات بعدها به عنوان الکترون شناخته شدند. تامسون یک صفحه فلزی (کاتد) را در یک لوله خلاء محصور کرد و آن را در معرض تابش با فرکانس بالا قرار داد. [38] تصور می‌شد که میدان‌های الکترومغناطیسی نوسانی باعث تشدید میدان اتم‌ها شده و پس از رسیدن به دامنه‌ای معین، باعث گسیل شدن ذرات زیراتمی و تشخیص جریان می‌شود. مقدار این جریان با شدت و رنگ تابش متغیر بود. شدت یا فرکانس تابش بزرگتر جریان بیشتری تولید می کند.[ نیازمند منبع ]

در طی سالهای 1886-1902، ویلهلم هالواکس و فیلیپ لنارد پدیده تابش فوتوالکتریک را به تفصیل بررسی کردند. لنارد مشاهده کرد که وقتی پرتو فرابنفش روی یکی از آنها می‌افتد ، جریانی از طریق یک لوله شیشه‌ای تخلیه‌شده عبور می‌کند که دو الکترود را در بر می‌گیرد. به محض قطع شدن تابش فرابنفش، جریان نیز قطع می شود. این مفهوم گسیل فوتوالکتریک را آغاز کرد . کشف یونیزاسیون گازها توسط پرتو فرابنفش توسط فیلیپ لنارد در سال 1900 انجام شد. از آنجایی که این اثر در چندین سانتی متر هوا ایجاد شد و تعداد یون های مثبت بیشتری نسبت به منفی ایجاد کرد، طبیعی بود که این پدیده را به عنوان جی جی تامسون تفسیر کنیم. انجام داد، به عنوان یک اثر هرتزبر ذرات موجود در گاز [27]

قرن بیستم [ ویرایش ]

در سال 1902، لنارد مشاهده کرد که انرژی تک تک الکترون های ساطع شده با فرکانس (که به رنگ مربوط می شود ) نور افزایش می یابد. [3] به نظر می‌رسد که این با نظریه موجی نور ماکسول ، که پیش‌بینی می‌کرد انرژی الکترون متناسب با شدت تابش است، در تضاد باشد.

لنارد تغییرات انرژی الکترون را با فرکانس نور با استفاده از یک لامپ قوس الکتریکی قوی مشاهده کرد که او را قادر ساخت تا تغییرات بزرگ در شدت را بررسی کند و قدرت کافی برای بررسی تغییرات پتانسیل الکترود با فرکانس نور را داشت. او انرژی الکترون را با ربط دادن آن به حداکثر پتانسیل توقف (ولتاژ) در یک لوله نوری پیدا کرد. او دریافت که حداکثر انرژی جنبشی الکترون توسط فرکانس نور تعیین می شود. به عنوان مثال، افزایش فرکانس منجر به افزایش حداکثر انرژی جنبشی محاسبه شده برای یک الکترون در هنگام آزادسازی - تابش فرابنفش می شود .نسبت به نور آبی به پتانسیل توقف اعمال شده بالاتری برای قطع جریان در یک لوله نوری نیاز دارد. با این حال، نتایج لنارد به دلیل دشواری در انجام آزمایش‌ها، به جای کمی، کیفی بود: آزمایش‌ها باید روی فلز تازه برش خورده انجام می‌شد تا فلز خالص مشاهده شود، اما در عرض چند دقیقه حتی در خلاء جزئی او اکسید شد. استفاده شده. جریان ساطع شده از سطح با شدت یا روشنایی نور تعیین می شد: دو برابر شدن شدت نور تعداد الکترون های ساطع شده از سطح را دو برابر می کرد.

تحقیقات لانژوین و یوجین بلوخ [39] نشان داده است که بخش بزرگی از اثر لنارد قطعاً به دلیل اثر هرتز است . با این حال، اثر لنارد بر خود گاز [ توضیحات لازم ] وجود دارد. بازیابی توسط جی جی تامسون [40] و سپس با قاطعیت تر توسط فردریک پالمر، جونیور، [41] [42] انتشار فوتو گاز مورد مطالعه قرار گرفت و ویژگی‌های بسیار متفاوتی نسبت به آنچه در ابتدا توسط لنارد به آن نسبت داده شد نشان داد. [27]

در سال 1900، فیزیکدان آلمانی ماکس پلانک ، در حالی که تابش جسم سیاه را مطالعه می کرد، در مقاله خود "درباره قانون توزیع انرژی در طیف نرمال" [43] پیشنهاد کرد که انرژی حمل شده توسط امواج الکترومغناطیسی فقط می تواند در بسته های انرژی آزاد شود. . در سال 1905، آلبرت انیشتین مقاله ای را منتشر کرد که در آن این فرضیه را مطرح کرد که انرژی نور در بسته های کوانتیزه گسسته حمل می شود تا داده های تجربی حاصل از اثر فوتوالکتریک را توضیح دهد. اینشتین این نظریه را مطرح کرد که انرژی در هر کوانتوم نور برابر با فرکانس نور ضرب در یک ثابت است که بعدها ثابت پلانک نامیده شد.. یک فوتون بالاتر از فرکانس آستانه انرژی لازم برای بیرون راندن یک الکترون واحد را دارد و اثر مشاهده شده را ایجاد می کند. این یک گام کلیدی در توسعه مکانیک کوانتومی بود. در سال 1914، اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق رابرت آ. میلیکان از ثابت پلانک از اثر فوتوالکتریک، از مدل انیشتین پشتیبانی کرد، حتی اگر یک تئوری جسمی نور برای میلیکان، در آن زمان، «کاملاً غیرقابل تصور» بود. [44] اینشتین در سال 1921 جایزه نوبل فیزیک را برای "کشف قانون اثر فوتوالکتریک" دریافت کرد، و میلیکان در سال 1923 جایزه نوبل را برای "کارش در مورد بار اولیه الکتریسیته و در مورد انرژی الکتریکی" دریافت کرد. اثر فوتوالکتریک". [46]در تئوری اغتشاش کوانتومی اتم‌ها و جامدات که توسط تابش الکترومغناطیسی بر روی آنها اثر می‌گذارند، اثر فوتوالکتریک هنوز معمولاً بر حسب امواج تحلیل می‌شود. این دو رویکرد معادل هستند زیرا جذب فوتون یا موج فقط می تواند بین سطوح انرژی کوانتیزه شده اتفاق بیفتد که تفاوت انرژی آن انرژی فوتون است.[47] [17]

توصیف ریاضی آلبرت انیشتین از چگونگی ایجاد اثر فوتوالکتریک توسط جذب کوانتومی نور در یکی از مقالات Annus Mirabilis او به نام "در مورد دیدگاه اکتشافی در مورد تولید و تبدیل نور" بود. این مقاله توضیح ساده‌ای از کوانتوم‌های نور یا فوتون‌ها ارائه کرد و نشان داد که چگونه پدیده‌هایی مانند اثر فوتوالکتریک را توضیح می‌دهند. توضیح ساده او از نظر جذب کوانتومای گسسته نور با نتایج تجربی موافق بود. توضیح داد که چرا انرژی فوتوالکترون ها فقط به فرکانس نور فرودی وابسته است و نه به شدت آن.: در شدت پایین، منبع فرکانس بالا می تواند چند فوتون انرژی بالا را تامین کند، در حالی که در شدت بالا، منبع فرکانس پایین هیچ فوتونی با انرژی فردی کافی برای جابجایی هر الکترونی تامین نمی کند. این یک جهش نظری عظیم بود، اما در ابتدا با این مفهوم به شدت مخالفت شد زیرا با نظریه موج نور که به طور طبیعی از معادلات الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول ، و به طور کلی، با فرض تقسیم پذیری بی نهایت انرژی در سیستم های فیزیکی در تضاد بود. . حتی پس از اینکه آزمایش‌ها نشان داد که معادلات انیشتین برای اثر فوتوالکتریک دقیق هستند، مقاومت در برابر ایده فوتون‌ها ادامه یافت.

کار انیشتین پیش‌بینی کرد که انرژی تک تک الکترون‌های پرتاب‌شده به صورت خطی با فرکانس نور افزایش می‌یابد. شاید تعجب آور باشد که این رابطه دقیق در آن زمان آزمایش نشده بود. در سال 1905 مشخص شد که انرژی فوتوالکترون ها با افزایش فرکانس نور فرودی افزایش می یابد و مستقل از شدت نور است. با این حال، نحوه افزایش تا سال 1914 که میلیکان نشان داد که پیش‌بینی اینشتین درست است، به‌طور تجربی تعیین نشد. [4]

اثر فوتوالکتریک به پیشبرد مفهوم دوگانگی موج-ذره در ماهیت نور کمک کرد. نور به طور همزمان دارای ویژگی های امواج و ذرات است که هر کدام با توجه به شرایط ظاهر می شوند. درک این اثر از نظر توصیف موج کلاسیک نور غیرممکن بود، [48] [49] [50] زیرا انرژی الکترون‌های ساطع شده به شدت تابش فرودی بستگی ندارد. تئوری کلاسیک پیش‌بینی می‌کرد که الکترون‌ها در یک دوره زمانی انرژی «جمع‌آوری» کرده و سپس گسیل می‌شوند. [49] [51]

موارد استفاده و اثرات [ ویرایش ]

فتو ضرب کننده [ ویرایش ]

مقاله اصلی: Photomultiplier

فتو ضربی

اینها لوله های خلاء بسیار حساس به نور با یک فوتوکاتد پوشش داده شده در داخل پاکت هستند. کاتد عکس حاوی ترکیبی از موادی مانند سزیم، روبیدیم و آنتیموان است که به‌طور ویژه برای ارائه عملکرد کم انتخاب شده‌اند، بنابراین هنگامی که حتی با سطوح بسیار کم نور روشن می‌شود، فوتوکاتد به آسانی الکترون‌ها را آزاد می‌کند. با استفاده از یک سری الکترود (داینود) در پتانسیل‌های بالاتر، این الکترون‌ها شتاب می‌گیرند و از طریق انتشار ثانویه به طور قابل‌توجهی تعدادشان افزایش می‌یابد تا یک جریان خروجی به راحتی قابل تشخیص باشد. مولتی‌پلی‌کننده‌های نوری هنوز هم معمولاً در جاهایی که سطوح پایین نور باید تشخیص داده شود استفاده می‌شوند. [52]

حسگرهای تصویر [ ویرایش ]

لوله‌های دوربین فیلم‌برداری در روزهای اولیه تلویزیون از اثر فوتوالکتریک استفاده می‌کردند، به عنوان مثال، " تشفح کننده تصویر " فیلو فارنسورث از صفحه‌ای استفاده می‌کرد که توسط اثر فوتوالکتریک شارژ می‌شد تا یک تصویر نوری را به سیگنال الکترونیکی اسکن شده تبدیل کند. [53]

طیف سنجی فوتوالکترون [ ویرایش ]

مقاله‌های اصلی: طیف‌سنجی تابش نور ، طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای ، و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس

طیف‌سنجی گسیل نوری تفکیک‌شده با زاویه ( ARPES ). لامپ تخلیه هلیوم نور ماوراء بنفش را در خلاء فوق العاده بالا به نمونه می تابد. تحلیلگر الکترونی نیمکره توزیع الکترون های پرتاب شده را با توجه به انرژی و تکانه اندازه گیری می کند.

از آنجایی که انرژی جنبشی الکترون‌های ساطع شده دقیقاً انرژی فوتون فرودی منهای انرژی اتصال الکترون در یک اتم، مولکول یا جامد است، انرژی اتصال را می‌توان با تابش یک پرتو ایکس تک رنگ یا نور UV مشخص کرد. انرژی و اندازه گیری انرژی جنبشی فوتوالکترون ها. [17] از نظر انرژی های اتصال مجاز و لحظه ای الکترون ها. ابزارهای مدرن برای طیف‌سنجی انتشار نوری با تفکیک زاویه‌ای قادر به اندازه‌گیری این مقادیر با دقتی بهتر از 1 مگا ولت و 0.1 درجه هستند. توزیع انرژی های الکترون برای مطالعه خواص کوانتومی این سیستم ها ارزشمند است. همچنین می توان از آن برای تعیین ترکیب عنصری نمونه ها استفاده کرد. برای جامدات، انرژی جنبشی و توزیع زاویه انتشار فوتوالکترون ها برای تعیین کامل ساختار نوار الکترونیکی اندازه گیری می شود.

اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون معمولاً در یک محیط با خلاء بالا انجام می‌شود، زیرا الکترون‌ها در صورت وجود توسط مولکول‌های گاز پراکنده می‌شوند. با این حال، برخی از شرکت ها در حال حاضر محصولاتی را می فروشند که امکان انتشار نور در هوا را فراهم می کند. منبع نور می تواند لیزر، لوله تخلیه یا منبع تشعشع سنکروترون باشد. [54]

آنالایزر نیمکره متحدالمرکز یک تحلیلگر انرژی الکترونی معمولی است. از میدان الکتریکی بین دو نیمکره برای تغییر (پراکنده کردن) مسیر الکترون های فرودی بسته به انرژی جنبشی آنها استفاده می کند.

دستگاه های دید در شب [ ویرایش ]

برخورد فوتون ها به یک لایه نازک از فلز قلیایی یا مواد نیمه هادی مانند آرسنید گالیم در یک لوله تشدید کننده تصویر باعث بیرون راندن فوتوالکترون ها به دلیل اثر فوتوالکتریک می شود. اینها توسط یک میدان الکترواستاتیکی شتاب می گیرند که در آن به صفحه پوشیده شده با فسفر برخورد می کنند و الکترون ها را دوباره به فوتون تبدیل می کنند. تشدید سیگنال یا از طریق شتاب الکترون ها یا با افزایش تعداد الکترون ها از طریق گسیل های ثانویه، مانند صفحه میکرو کانال به دست می آید.. گاهی اوقات ترکیبی از هر دو روش استفاده می شود. انرژی جنبشی اضافی برای حرکت یک الکترون از نوار رسانایی به سطح خلاء لازم است. این به عنوان مدل شکاف میل الکترونی فوتوکاتد و مانع دیگری برای انتشار نور غیر از نوار ممنوعه است که توسطمدل. برخی از مواد مانند آرسنید گالیم دارای میل الکترونی موثری هستند که کمتر از سطح نوار رسانایی است. در این مواد، الکترون‌هایی که به سمت نوار رسانایی حرکت می‌کنند، همگی انرژی کافی برای گسیل شدن از ماده دارند، بنابراین لایه‌ای که فوتون‌ها را جذب می‌کند می‌تواند کاملا ضخیم باشد. این مواد به عنوان مواد میل الکترونی منفی شناخته می شوند.

+ نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:34 توسط علی رضا نقش |

2-اثر فوتوالکتریک

توضیح نظری [ ویرایش ]

نمودار حداکثر انرژی جنبشی به عنوان تابعی از فرکانس نور روی.

در سال 1905، انیشتین با استفاده از مفهومی که برای اولین بار توسط ماکس پلانک ارائه شد ، نظریه ای درباره اثر فوتوالکتریک ارائه کرد که نور از بسته های کوچک انرژی به نام فوتون ها یا کوانتوم های نور تشکیل شده است. هر بسته حامل انرژی است $h\nu$ که متناسب با فرکانس است $\nu$ از موج الکترومغناطیسی مربوطه ثابت تناسب $ساعت$ به ثابت پلانک معروف شده است . حداکثر انرژی جنبشی $K_{\max}$ از الکترون هایی که قبل از حذف شدن از پیوند اتمی خود این مقدار انرژی داده شده است

$K_{\max }=h\,\nu -W,$

جایی که $دبلیو$ حداقل انرژی لازم برای حذف یک الکترون از سطح ماده است. تابع کار سطح نامیده می شود و گاهی اوقات نشان داده می شود $\ فی$ یا $\varphi$ . [14] اگر تابع کار به صورت نوشته شود

$W=h\,\nu _{o},$

فرمول ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون های پرتاب شده تبدیل می شود

$K_{\max }=h\left(\nu -\nu _{o}\right).$

انرژی جنبشی مثبت است، و $\nu >\nu _{o}$ برای رخ دادن اثر فوتوالکتریک لازم است. [15] فرکانس $\nu _{o}$ فرکانس آستانه برای ماده داده شده است. بالاتر از آن فرکانس، حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون ها و همچنین ولتاژ توقف در آزمایش ${\textstyle V_{o}={\frac {h}{e}}\left(\nu -\nu _{o}\right)}$ با فرکانس به صورت خطی افزایش می‌یابد و هیچ وابستگی به تعداد فوتون‌ها و شدت نور تک رنگی برخوردی ندارد. فرمول انیشتین، هر چند ساده، تمام پدیدارشناسی اثر فوتوالکتریک را توضیح داد و پیامدهای گسترده ای در توسعه مکانیک کوانتومی داشت.

انتشار نور از اتم ها، مولکول ها و جامدات [ ویرایش ]

الکترون‌هایی که در اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات متصل هستند، هر کدام حالت‌های متمایزی از انرژی‌های اتصال کاملاً مشخص را اشغال می‌کنند . هنگامی که کوانتوم های نوری بیش از این مقدار انرژی را به یک الکترون منفرد می دهند، الکترون ممکن است با انرژی اضافی (سینتیکی) به فضای آزاد گسیل شود. $h\nu$ بالاتر از انرژی اتصال الکترون است. بنابراین، توزیع انرژی های جنبشی منعکس کننده توزیع انرژی های اتصال الکترون ها در سیستم اتمی، مولکولی یا کریستالی است: الکترونی که در انرژی اتصال از حالت گسیل می شود. $E_{B}$ در انرژی جنبشی یافت می شود $E_{k}=h\nu -E_{B}$ . این توزیع یکی از مشخصه های اصلی سیستم کوانتومی است و می توان از آن برای مطالعات بیشتر در شیمی کوانتومی و فیزیک کوانتومی استفاده کرد.

مدل های انتشار نور از جامدات [ ویرایش ]

خواص الکترونیکی جامدات مرتب و کریستالی با توزیع حالت های الکترونیکی با توجه به انرژی و تکانه تعیین می شود - ساختار نوار الکترونیکی جامد. مدل‌های نظری انتشار نور از جامدات نشان می‌دهد که این توزیع، در بیشتر موارد، در اثر فوتوالکتریک حفظ می‌شود. مدل سه مرحله ای پدیدارشناختی [16] برای تحریک اشعه ماوراء بنفش و نرم اشعه ایکس، اثر را به این مراحل تجزیه می کند: [17] [18] [19]

اثر فوتوالکتریک داخلی در بخش عمده مواد که یک انتقال نوری مستقیم بین حالت الکترونیکی اشغال شده و غیر اشغالی است. این اثر تابع قوانین انتخاب مکانیکی کوانتومی برای انتقال دوقطبی است. سوراخ باقی مانده در پشت الکترون می تواند منجر به گسیل الکترون ثانویه یا به اصطلاح اثر اوگر شود که ممکن است حتی زمانی که فوتوالکترون اولیه از ماده خارج نشود قابل مشاهده باشد. در جامدات مولکولی فونون ها در این مرحله برانگیخته می شوند و ممکن است به صورت خطوط ماهواره ای در انرژی الکترون نهایی قابل مشاهده باشند.
انتشار الکترون به سطحی که ممکن است برخی از الکترون ها در آن به دلیل برهمکنش با سایر اجزای تشکیل دهنده جامد پراکنده شوند. الکترون‌هایی که در اعماق جامدات منشا می‌گیرند، بسیار بیشتر در معرض برخورد قرار می‌گیرند و با انرژی و تکانه تغییر یافته ظاهر می‌شوند. مسیر بدون میانگین آنها یک منحنی جهانی است که به انرژی الکترون وابسته است.
الکترون از طریق مانع سطحی به حالت‌های الکترون آزاد خلاء فرار می‌کند. در این مرحله الکترون انرژی را به مقدار تابع کاری سطح از دست می دهد و در جهت عمود بر سطح دچار افت تکانه می شود. زیرا انرژی اتصال الکترون ها در جامدات به راحتی با توجه به بالاترین حالت اشغال شده در انرژی فرمی بیان می شود. $E_F$ و تفاوت با انرژی فضای آزاد (خلاء) تابع کار سطح است، انرژی جنبشی الکترون های ساطع شده از جامدات معمولاً به صورت نوشته می شود. $E_{k}=h\nu -W-E_{B}$ .

مواردی وجود دارد که مدل سه مرحله ای نمی تواند ویژگی های توزیع شدت فوتوالکترون را توضیح دهد. مدل یک مرحله‌ای دقیق‌تر [20] اثر را به‌عنوان یک فرآیند منسجم از برانگیختگی نوری به حالت نهایی یک کریستال محدود در نظر می‌گیرد که برای آن تابع موج در خارج از کریستال شبیه الکترون آزاد است، اما درون آن یک پوشش در حال فروپاشی دارد. [19]

+ نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:30 توسط علی رضا نقش |

1-اثر فوتوالکتریک

از ویکیپدیا، دانشنامه آزاد

پرش به ناوبری پرش به جستجو

انتشار الکترون ها از یک صفحه فلزی ناشی از کوانتوم های نور - فوتون ها .

اثر فوتوالکتریک ، گسیل الکترون‌هایی است که تابش الکترومغناطیسی ، مانند نور ، به یک ماده برخورد می‌کند. الکترون هایی که به این روش گسیل می شوند فوتوالکترون نامیده می شوند. این پدیده در فیزیک ماده چگال ، و حالت جامد و شیمی کوانتومی برای استنتاج در مورد خواص اتم‌ها، مولکول‌ها و جامدات مورد مطالعه قرار می‌گیرد. این اثر در دستگاه‌های الکترونیکی متخصص برای تشخیص نور و انتشار الکترون به‌طور دقیق استفاده شده است.

نتایج تجربی با الکترومغناطیس کلاسیک مخالف است، که پیش‌بینی می‌کند امواج نور پیوسته انرژی را به الکترون‌ها منتقل می‌کنند، که پس از جمع‌آوری انرژی کافی منتشر می‌شوند. تغییر در شدت نور از نظر تئوری انرژی جنبشی الکترون‌های ساطع شده را تغییر می‌دهد و نور به اندازه کافی کم‌رنگ و منجر به انتشار تاخیری می‌شود. نتایج تجربی در عوض نشان می‌دهد که الکترون‌ها تنها زمانی از جای خود خارج می‌شوند که نور از فرکانس خاصی تجاوز کند- صرف نظر از شدت یا مدت قرار گرفتن در معرض نور. از آنجا که یک پرتو فرکانس پایین با شدت بالا انرژی لازم برای تولید فوتوالکترون را ایجاد نمی کند، همانطور که اگر انرژی نور در طول زمان از یک موج پیوسته انباشته شود، آلبرت انیشتین پیشنهاد کرد که یک پرتو نور یک موج در حال انتشار نیست. از طریق فضا، اما گروهی از بسته های انرژی گسسته، معروف به فوتون .

انتشار الکترون های رسانا از فلزات معمولی به چند کوانتوم نور الکترون ولت (eV) نیاز دارد که مربوط به نور مرئی یا فرابنفش با طول موج کوتاه است. در موارد شدید، انتشار با فوتون‌هایی که به انرژی صفر نزدیک می‌شوند، القا می‌شوند، مانند سیستم‌هایی با میل الکترونی منفی و گسیل از حالت‌های برانگیخته، یا چند صد فوتون کو برای الکترون‌های هسته در عناصر با عدد اتمی بالا . [1] مطالعه اثر فوتوالکتریک منجر به گام‌های مهمی در درک ماهیت کوانتومی نور و الکترون شد و بر شکل‌گیری مفهوم دوگانگی موج-ذره تأثیر گذاشت . [2]پدیده های دیگری که نور بر حرکت بارهای الکتریکی تأثیر می گذارد عبارتند از: اثر رسانای نوری، اثر فتوولتائیک و اثر فوتوالکتروشیمیایی .

فهرست

مکانیسم انتشار [ ویرایش ]

فوتون های یک پرتو نور دارای یک انرژی مشخصه به نام انرژی فوتون هستند که متناسب با فرکانس نور است. در فرآیند گسیل نور، زمانی که یک الکترون درون برخی از مواد، انرژی فوتون را جذب کرده و انرژی بیشتری نسبت به انرژی اتصال آن به دست می آورد ، احتمالاً پرتاب می شود. اگر انرژی فوتون خیلی کم باشد، الکترون قادر به فرار از ماده نیست. از آنجایی که افزایش شدت نور با فرکانس پایین فقط تعداد فوتون های کم انرژی را افزایش می دهد، این تغییر شدت هیچ فوتون منفردی با انرژی کافی برای جابجایی یک الکترون ایجاد نمی کند. علاوه بر این، انرژی الکترون های ساطع شده به شدت نور ورودی یک فرکانس معین بستگی ندارد، بلکه فقط به انرژی تک فوتون ها بستگی دارد.

در حالی که الکترون‌های آزاد می‌توانند هر انرژی را در هنگام تابش جذب کنند، تا زمانی که به دنبال آن یک بازتابش فوری به دنبال داشته باشد، مانند اثر کامپتون ، در سیستم‌های کوانتومی تمام انرژی یک فوتون جذب می‌شود – اگر این فرآیند توسط مکانیک کوانتومی اجازه داده شود . یا اصلا هیچ کدام بخشی از انرژی به دست آمده برای آزاد کردن الکترون از اتصال اتمی آن استفاده می شود و بقیه به انرژی جنبشی الکترون به عنوان یک ذره آزاد کمک می کند. [3] [4] [5]از آنجایی که الکترون‌ها در یک ماده بسیاری از حالت‌های کوانتومی مختلف را با انرژی‌های اتصال متفاوت اشغال می‌کنند، و از آنجا که می‌توانند تلفات انرژی را در مسیر خروج از ماده حفظ کنند، الکترون‌های ساطع شده طیفی از انرژی‌های جنبشی خواهند داشت. الکترون های بالاترین حالت های اشغال شده دارای بالاترین انرژی جنبشی خواهند بود. در فلزات، آن الکترون ها از سطح فرمی ساطع می شوند .

هنگامی که فوتوالکترون به جای خلاء به یک جامد گسیل می‌شود، اصطلاح انتشار نور داخلی اغلب استفاده می‌شود و گسیل در خلاء به عنوان انتشار نور خارجی متمایز می‌شود .

مشاهده تجربی گسیل فوتوالکتریک [ ویرایش ]

حتی اگر انتشار نور می تواند از هر ماده ای رخ دهد، به راحتی از فلزات و سایر رساناها مشاهده می شود. این به این دلیل است که فرآیند یک عدم تعادل بار ایجاد می کند که اگر توسط جریان جریان خنثی نشود، منجر به افزایش مانع پتانسیل می شود تا زمانی که انتشار به طور کامل متوقف شود. سد انرژی برای انتشار نور معمولاً توسط لایه‌های اکسید نارسانا روی سطوح فلزی افزایش می‌یابد، بنابراین بیشتر آزمایش‌های عملی و دستگاه‌های مبتنی بر اثر فوتوالکتریک از سطوح فلزی تمیز در لوله‌های تخلیه شده استفاده می‌کنند. خلاء همچنین به مشاهده الکترون‌ها کمک می‌کند زیرا مانع از عبور گازها بین الکترودها می‌شود.

از آنجایی که نور خورشید به دلیل جذب اتمسفر، نور ماوراء بنفش زیادی را ارائه نمی کند، نور غنی از اشعه ماوراء بنفش قبلاً با سوزاندن منیزیم یا از یک لامپ قوس الکتریکی به دست می آمد . در حال حاضر، لامپ‌های بخار جیوه ، لامپ‌های تخلیه گاز نجیب UV و منابع پلاسمایی فرکانس رادیویی ، [6] [7] [8] لیزرهای فرابنفش ، [9] و دستگاه درج سنکروترون [10] منابع نور غالب هستند.

شماتیک آزمایش برای نشان دادن اثر فوتوالکتریک. نور تک رنگ فیلتر شده با طول موج معین به الکترود ساطع کننده (E) در داخل یک لوله خلاء برخورد می کند. الکترود کلکتور (C) به یک ولتاژ V C بایاس می شود که می تواند تنظیم شود تا الکترون های ساطع شده را در صورت مثبت جذب کند یا از رسیدن هر یک از آنها به کلکتور در صورت منفی جلوگیری کند.

تنظیم کلاسیک برای مشاهده اثر فوتوالکتریک شامل یک منبع نور، مجموعه ای از فیلترها برای تک رنگ کردن نور، یک لوله خلاء شفاف در برابر نور ماوراء بنفش، یک الکترود ساطع کننده (E) در معرض نور و یک کلکتور (C) که ولتاژ آن V است. C را می توان به صورت خارجی کنترل کرد.

یک ولتاژ خارجی مثبت برای هدایت الکترون‌های تابیده شده به سمت کلکتور استفاده می‌شود. اگر فرکانس و شدت تابش فرودی ثابت باشد، جریان فوتوالکتریک I با افزایش ولتاژ مثبت افزایش می یابد، زیرا الکترون های بیشتری به الکترود هدایت می شوند. هنگامی که هیچ فوتوالکترون اضافی نمی توان جمع آوری کرد، جریان فوتوالکتریک به مقدار اشباع می رسد. این جریان تنها با افزایش شدت نور می تواند افزایش یابد.

افزایش ولتاژ منفی از رسیدن همه الکترون ها به کلکتور به جز الکترون های پرانرژی جلوگیری می کند. هنگامی که هیچ جریانی از طریق لوله مشاهده نمی شود، ولتاژ منفی به مقداری رسیده است که به اندازه کافی بالا است تا پرانرژی ترین فوتوالکترون های انرژی جنبشی K max را کاهش داده و متوقف کند . این مقدار ولتاژ کندکننده را پتانسیل توقف یا قطع پتانسیل V o می نامند . [11] از آنجایی که کار انجام شده توسط پتانسیل کندکننده در توقف الکترون بار e eV o است ، موارد زیر باید eV o = K max را حفظ کنند.

منحنی جریان-ولتاژ سیگموئیدی است، اما شکل دقیق آن به هندسه آزمایشی و خواص مواد الکترود بستگی دارد.

برای یک سطح فلزی معین، حداقل فرکانس مشخصی از تابش برخوردی وجود دارد که از زیر آن هیچ فوتوالکترونی ساطع نمی شود. این فرکانس فرکانس آستانه نامیده می شود . افزایش فرکانس پرتو فرودی، حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون های ساطع شده را افزایش می دهد و ولتاژ توقف باید افزایش یابد. تعداد الکترون‌های گسیل‌شده نیز ممکن است تغییر کند، زیرا احتمال اینکه هر فوتون منجر به یک الکترون گسیل‌شده شود، تابعی از انرژی فوتون است.

افزایش شدت همان نور تک رنگ (تا زمانی که شدت آن خیلی زیاد نباشد [12] )، که متناسب با تعداد فوتون هایی است که در یک زمان معین به سطح برخورد می کنند، سرعت پرتاب الکترون ها را افزایش می دهد. -جریان فوتوالکتریک I- اما انرژی جنبشی فوتوالکترونها و ولتاژ توقف ثابت می ماند. برای یک فلز معین و فرکانس تابش تابشی، سرعت پرتاب فوتوالکترون ها مستقیماً با شدت نور فرودی متناسب است.

فاصله زمانی بین بروز تابش و گسیل یک فوتوالکترون بسیار کوچک است، کمتر از 10-9 ثانیه. توزیع زاویه ای فوتوالکترون ها به شدت به پلاریزاسیون (جهت میدان الکتریکی) نور فرودی و همچنین خواص کوانتومی ماده گسیل کننده مانند تقارن های مداری اتمی و مولکولی و ساختار نوار الکترونیکی جامدات کریستالی وابسته است. در مواد بدون نظم ماکروسکوپی، توزیع الکترون ها در جهت قطبش نور قطبی شده خطی به اوج می رسد. [13] روش آزمایشی که می‌تواند این توزیع‌ها را برای استنباط خواص مواد اندازه‌گیری کند، طیف‌سنجی انتشار نوری تفکیک‌شده با زاویه است .

+ نوشته شده در دوشنبه چهارم مهر ۱۴۰۱ ساعت 6:14 توسط علی رضا نقش |

کامپیوتر و ریاضی با علی رضا نقش

آموزش