Η φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο:Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ένα φυσικό φαινόμενο που συμβαίνει όταν μια μεταλλική επιφάνεια χτυπιέται από φως συγκεκριμένης συχνότητας. Ο Heinrich Hertz ανακάλυψε αυτό το φαινόμενο το 1887, και αργότερα ο Lenard το επιβεβαίωσε το 1902. Ωστόσο, υπήρχαν μόνο μερικές ανωμαλίες αφού η θεωρία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων φωτός του Maxwell δεν μπορούσε να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ο Αϊνστάιν εκμεταλλεύτηκε την έννοια του Πλανκ για το φως ως σωματίδιο για να αντιμετωπίσει το πρόβλημα που εμφανιζόταν προηγουμένως με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι κάθε σωματίδιο φωτός, γνωστό ως φωτόνιο ή κβάντα, μεταφέρει ενέργεια με τη μορφή πακέτων που ποικίλλουν σε μέγεθος ανάλογα με τη συχνότητα του φωτός που μεταδίδεται.

Η ενέργεια(Ε) που μεταφέρεται από κάθε σωματίδιο φωτός (φωτόνιο) μπορεί να γραφτεί ως- E =hν όπου, (ν) είναι η συχνότητα του φωτός και h είναι γνωστή ως η σταθερά του Planck (6,6261 × 10 -34 Js).

Και η φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν δίνεται από,

Κ.Ε. =  hν – Ø0

Όπου η Κ.Ε. είναι η κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων

Ø0 είναι η συνάρτηση εργασίας του μετάλλου

hν είναι η ενέργεια των φωτονίων

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Το 1887, ο Hertz παρατήρησε ότι τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από μια μεταλλική επιφάνεια όταν πέφτει πάνω της η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Το 1888, ο Hallwachs έδειξε πειραματικά ότι τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται από την πλάκα ψευδαργύρου όταν οι υπεριώδεις ακτίνες πέφτουν στην πλάκα.

Αυτό το φαινόμενο της εκπομπής ηλεκτρονίων από μια μεταλλική επιφάνεια, όταν φωτίζεται από φως κατάλληλου μήκους κύματος ή συχνότητας, ονομάζεται φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα ηλεκτρόνια που ακτινοβολούνται σε αυτή τη διαδικασία ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια και το ρεύμα που παράγεται στο κύκλωμα ονομάζεται φωτοηλεκτρικό ρεύμα.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο γενικά είναι ένα φαινόμενο που παρουσιάζεται από όλες τις ουσίες όταν φωτίζονται από ακτινοβολία κατάλληλου μήκους κύματος.

Σωματιδιακή φύση του φωτός 

Όταν μιλάμε για σωματίδια, μιλάμε για μικρά κομμάτια. Αν και το φως αποτελείται από σωματίδια, τα αναφέρουμε ως φωτόνια, καθώς είναι ελαφρά σωματίδια. Όταν ο Sir Isaac Newton χρησιμοποίησε ένα πρίσμα για να χωρίσει το φως του ήλιου σε πολλαπλά χρώματα, η περίμετρος των σκιών που έριξε ήταν εξαιρετικά καθαρή και ευδιάκριτη, οδηγώντας τον στο συμπέρασμα, το 1700, ότι το φως αποτελείται από σωματίδια.

Ως στοιχειώδες σωματίδιο και κβάντο φωτός, ένα φωτόνιο ορίζεται ως εξής:Χρησιμοποιώντας την εξίσωση E =hv, μπορούμε να καταλάβουμε πόση ενέργεια έχει ένα φωτόνιο. Η ενέργεια συμβολίζεται με E, ενώ h είναι η σταθερά του Planck και v η συχνότητα των φωτονίων. Σε αυτή την περίπτωση, η αύξηση της έντασης του φωτός δείχνει ότι έχουμε αυξήσει τον αριθμό των φωτονίων που περνούν από μια περιοχή σε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα. Ένα άλλο πλεονέκτημα των φωτονίων είναι ότι δεν έχουν μάζα ακόμα θεωρούνται σταθερά υποατομικά σωματίδια. Ένα φωτόνιο μπορεί να μεταδώσει ενέργεια σε διαφορετικό σωματίδιο κατά τη διάρκεια μιας αλληλεπίδρασης.

Φωτόνια

Ουσιαστικά, ένα φωτόνιο είναι ένα υποατομικό σωματίδιο φωτός. Το σωματίδιο του φωτός ονομάζεται φωτόνιο ή κβάντα.

• Η εξίσωση E =hv περιγράφει την ενέργεια ενός φωτονίου. Εξαιτίας αυτού, έχει την ίδια ορμή και ταχύτητα με το φως.

• Η ορμή p και η ενέργεια E κάθε φωτονίου με συχνότητα v είναι ίδιες ανεξάρτητα από την ένταση της ακτινοβολίας.

• Καθώς αυξάνεται η ένταση του φωτός, ο αριθμός των φωτονίων που διέρχονται από μια συγκεκριμένη περιοχή ανά μονάδα χρόνου αυξάνεται αναλογικά. Η ενέργεια της ακτινοβολίας δεν επηρεάζεται από αυτόν τον παράγοντα.

• Τα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία δεν επηρεάζουν τη συμπεριφορά ενός φωτονίου.

• Η ηλεκτρική ενέργεια δεν αποτελεί παράγοντα σε αυτήν την περίπτωση.

• Ένα φωτόνιο δεν έχει μάζα, δηλαδή δεν έχει βαρυτική έλξη προς κανένα άλλο σωματίδιο.

• Όσον αφορά τη σταθερότητα, είναι εξαιρετικός υποψήφιος για χρήση στη φυσική.

• Η εκπομπή ή η απορρόφηση ακτινοβολίας μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ή την καταστροφή φωτονίων, αντίστοιχα.

• Κατά τη σύγκρουση φωτονίου-ηλεκτρονίου, διατηρείται τόσο η συνολική ενέργεια όσο και η ορμή.

• Χωρίς εξωτερική πηγή ενέργειας, ένα φωτόνιο δεν μπορεί να διασπαστεί.

• Κατά την επαφή με άλλα σωματίδια, η ενέργεια ενός φωτονίου μπορεί να μεταδοθεί.

• Σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, που έχουν σπιν (±½), ένα φωτόνιο έχει σπιν ±1. Ο άξονας περιστροφής του κινείται παράλληλα με την κατεύθυνση προς την οποία κινείται. Αυτό το χαρακτηριστικό των φωτονίων επιτρέπει στο φως να πολώνεται αρχικά.

Λειτουργία φωτοηλεκτρικής εργασίας

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η απομάκρυνση του ηλεκτρονίου από ένα άτομο ενός φωτοευαίσθητου υλικού που είναι το πιο χαλαρά συνδεδεμένο. Η συνάρτηση φωτοηλεκτρικού έργου του επιφανειακού υλικού (Ø0) ορίζεται ως η μικρότερη ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για την εκτόξευση ενός ηλεκτρονίου από μια συγκεκριμένη επιφάνεια όταν το επιφανειακό υλικό είναι ημιαγωγός. Η λειτουργία εργασίας μιας μεταλλικής επιφάνειας είναι ένα από τα διακριτικά χαρακτηριστικά της.

Η συνάρτηση εργασίας μπορεί να εκφραστεί μαθηματικά ως

Ø0 =hv0

Συμπέρασμα

• Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο του Αϊνστάιν προκαλείται όταν τα φωτόνια που εκπέμπονται στο φως αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρόνια στο μέταλλο

• Κάθε ένα από τα φωτόνια αλληλεπιδρά με 1 ηλεκτρόνιο.

• Η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου χρησιμοποιείται για την απελευθέρωση των ηλεκτρονίων από την επιφάνεια και για τη μετάδοση ενέργειας στα εκτοξευόμενα ηλεκτρόνια.

• Η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ονομάζεται συνάρτηση εργασίας.

Η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου πρέπει να είναι μεγαλύτερη από τη συνάρτηση εργασίας.