Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

Περιεχόμενο που διαγράφηκε Περιεχόμενο που προστέθηκε
Nxavar (συζήτηση | συνεισφορές)
βελτιώσεις - διορθώσεις
Γραμμή 17:
Οι έρευνες του Φίλιπ Λέναρντ οδήγησαν στην ανακάλυψη του γεγονότος ότι η κινητική ενέργεια που παρουσιάζουν τα απελευθερούμενα ηλεκτρόνια είναι ανεξάρτητη από την ένταση του φωτός.
 
Ο Ρόμπερτ Μίλικαν ανακάλυψε ότι όταν προσπίπτει μονοχρωματικό φως μικρότερο μιας [[Συχνότητα|συχνότητας]] που ονομάστηκε [[Συχνότητα Κατωφλίου]] δεν εκδηλώνεται το φαινόμενο ανεξαρτήτως της έντασης του φωτός. ΑυτόΤο τοφαινόμενο παράδοξοαυτό δεν μπόρεσε να το εξηγηθείεξηγείται με την [[Κλασική Φυσική]] τηςκαθώς εποχήςπαραβαίνει τουςστοιχειώδης παραδοχές της. Εξηγήθηκε αργότερα όταναπό οτον Αϊνστάιν, πρότεινεο τηνοποίος κβαντικήυπέθεσε φύσηότι τουτο φως παρουσιάζει κβαντική φωτόςσυμπεριφορά.<ref>{{Cite journal| author = Ηλίας Παπαθανάσης | title = Φωτοβολταϊκά | volume = 369 | pages = 47-48 | year = 2012 | accessdate=2012-11-17 | journal = περισκοπιο ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ | ISSN = 1105-7122}}</ref> Προηγουμένως, ο [[Μαξ Πλανκ]] είχε εισάγει για πρώτη φορά την έννοια των κβάντων για την εξήγηση φυσικών φαινομένων.
 
:::::::::::<math> \ hv = E_{K_{max}} + b\ </math>
== Νόμοι του Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου ==
 
Πειραματικά έχει διαπιστωθεί ότι για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ισχύουν οι παρακάτω ''νόμοι'':
== Το φαινόμενο αναλυτικά ==
* Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει μόνο όταν η προσπίπτουσα στη μεταλλική επιφάνεια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει [[συχνότητα]] μεγαλύτερη ή ίση από μια ορισμένη τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται οριακή συχνότητα ή διαφορετικά ''[[Συχνότητα κατωφλίου]]'' (σύμβολο <math>\ v_0 \ </math>).
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συνίσταται στην παρακάτω συμπεριφορά ενός φωτιζόμενου μετάλλου:
* Αν η συχνότητα της ακτινοβολίας είναι τέτοια που μπορεί να προκαλέσει εξαγωγή ηλεκτρονίων τότε ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος της [[Ένταση φωτεινής ακτινοβολίας|''έντασης'']] (σύμβολο <math>\ J \ </math>) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
* Το φωτοηλεκτρικόμέταλλο φαινόμενο συμβαίνειφορτίζεται μόνο όταν η προσπίπτουσα στη μεταλλική επιφάνεια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει [[συχνότητα]] μεγαλύτερη ή ίση από μια ορισμένη τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται οριακή συχνότητα ή διαφορετικά ''[[Συχνότητα κατωφλίου]]'' (σύμβολο <math>\ v_0 \ </math>).
* Αν η συχνότητα της ακτινοβολίας είναι τέτοιαμεγαλύτερη πουη μπορείίση νατης προκαλέσεισυχνότητας εξαγωγή ηλεκτρονίων τότεκατωφλίου ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος της [[Ένταση φωτεινής ακτινοβολίας|''έντασης'']] (σύμβολο <math>\ J \ </math>) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.
* Η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό της επιφάνειάς του (για την ακρίβεια ο [[χρόνος]] από το φωτισμό του μετάλλου μέχρι την εκπομπή φωτοηλεκρονίων είναι μικρότερος του 10<sup>-9</sup>s).
* Η μέγιστη κινητική ενέργεια με την οποία τα φωτοηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το μέταλλο είναι [[Γραμμική συνάρτηση]]ανάλογη της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, εξαρτάταικαι ανεξάρτητη από τοτην έργο εξαγωγής του μετάλλου αλλά είναι ανεξάρτητηέντασή της έντασης της ακτινοβολίας.
 
== Η αδυναμία της Κλασικής Φυσικής να ερμηνεύσει το φαινόμενο ==
Η [[Κλασική Φυσική]] υποστηρίζει ότι ένα σώμα απορροφά ή εκπέμπει ενέργεια κατά τρόπο συνεχή και έτσι αδυνατεί να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Συγκεκριμένα:
 
Συγκεκριμένα:
== Αδυναμίες της Κλασικής Φυσικής στην ερμηνεία του Φωτοηλεκτρικού φαινομένου ==
* Σύμφωνα με την Κλασσική Φυσική τα ηλεκτρόνια θα μπορούσαν να απελευθερωθούν απορροφώντας αθροιστικά την ενέργεια της ακτινοβολίας που προσπίπτει σε αυτά. Δηλαδή, αναξάρτητα από τη συχνότητα, αν δεχθούν αρκετή ποσότητα ακτινοβολίας θα απελευθερωθούν. Αντιθέτως, παρατηρείται η ύπαρξη συχνότητας κατωφλίου.
Η [[Κλασική Φυσική]] υποστηρίζει ότι ένα σώμα απορροφά ή εκπέμπει ενέργεια κατά τρόπο συνεχή και έτσι αδυνατεί να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Συγκεκριμένα:
* Λόγω του τρόπου απελευθέρωσης που υποδεικνύει η Κλασσική Φυσική, η απελευθέρωση των ηλεκτρονίων θα απαιτούσε τον φωτισμό του μετάλλου για κάποιο χρονικό διάστημα. Αντιθέτως, αυτή συμβαίνει σχεδόν ακαριαία.
* Η Κλασική Φυσική δεν προβλέπει την ύπαρξη συχνότητας κατωφλίου. Αντίθετα προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων είναι δυνατή για οποιαδήποτε συχνότητα εφόσον περνούσε αρκετός χρόνος φωτισμού του μετάλλου. Στην πραγματικότητα όμως αν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μικρότερη της συχνότητας κατωφλίου όσος χρόνος και να περάσει τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να απορροφήσουν αρκετή ενέργεια ώστε να διαφύγουν από το μέταλλο.
* Πάλι λόγω του τρόπου απελευθέρωσης, η μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων θα έπρεπε να είναι ανάλογη της έντασης της ακτινοβολίας, δηλαδή της ποσότητας της ακτινοβολίας την οποία δέχεται το μέταλλο. Αντιθέτως, αυτή είναι ανάλογη της συχνότητας.
* Η Κλασική Φυσική προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται μετά από την παρέλευση ορισμένου χρονικού διαστήματος από τη στιγμή φωτισμού του μέχρι να αποκτήσουν αρκετή κινητική ενέργεια. Στην πραγματικότητα όμως τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό του μετάλλου ακόμα και όταν η ένταση της ακτινοβολίας είναι μικρή.
* Η Κλασική Φυσική προβλέπει ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων αυξάνεται όσο αυξάνεται η ένταση της προσπίτουσας ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα όμως η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων βρέθηκε να είναι ανεξάρτητη της έντασης. Βρέθηκε ότι εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της ακτινοβολίας.
 
== Ερμηνεία στα πλαίσια της κβαντικής μηχανικής ==
Η ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε το [[1905]] από τον [[Άλμπερτ Αϊνστάιν]] που πήρε το [[βραβεία Νόμπελ|βραβείο Νόμπελ]] για αυτή του την εργασία. Για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν είναι ισοκατανεμημένη στο κυματικό μέτωπο αλλά μεταφέρεται σε διακριτές ποσότητες που ονομάζονται [[Φωτόνιο|φωτόνια]]. Η διαπίστωση αυτή αποτέλεσε, μαζί με την ερμηνεία της ακτινοβολίας του [[μέλαν σώμα|μέλανος σώματος]] από τον Πλανκ και την παρατήρηση του [[Φαινόμενο Κόμπτον|φαινομένου Κόμπτον]] (''Compton'') το θεμέλιο της θεωρίας για τον [[κυματοσωματιδιακός δυϊσμός|κυματοσωματιδιακό δυϊσμό]] του φωτός αλλά και της πρώιμης [[Κβαντική μηχανική|Κβαντικής Μηχανικής]]. Έτσι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας <math>\ v \ </math> αποτελείται από μια δέσμη φωτονίων που όλα έχουν ενέργεια:
 
Γραμμή 41 ⟶ 45 :
:::::::::::<math> \ E = nhv\ </math>
 
Ο Αϊνστάιν θεώρησε ότι κάθε φωτόνιο όταν δίνει την ενέργειά του τη δίνει ολόκληρη και μόνο σε ένα ηλεκτρόνιο κάθε φορά. και επιπλέον μόνοΑν εάναυτή είναι αρκετή για να απελευθερώσειαντισταθμίσει την έλξη που δέχεται το ηλεκτρόνιο από τιςτον ελκτικέςπυρήνα, δυνάμειςτο τουηλεκτρόνιο μετάλλουαπελευθερώνεται. ΈτσιΔιαφορετικά, απόεκπέμπει την ενέργειαακτινοβολία τουπου φωτονίουαπορροφήθηκε μέροςστο χρησιμοποιείταιπεριβάλλον. γιαΤο νατελευταίό υπερνικηθούνεξηγεί οιγιατί ελκτικέςαν δυνάμειςη τουακτινοβολία μετάλλουέχει συχνότητα μικρότερη της συχνότητας κατωφλίου, το μέταλλο δεν φορτίζεται, όσο και ηαν υπόλοιπητο μένειφωτίσουμε. στοΗ ηλεκτρόνιοεξίσωση ωςπου συνδέει την κινητική ενέργεια. Έτσιενός έχουμεηλεκτρονίου που απελευθερώθηκε με την ακόλουθησυχνότητα εξίσωσητης ηακτινοβολίας οποίαπου ονομάζεταιδέχθηκε καιλέγεται φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν και είναι η εξής:
 
:::::::::::<math> \ hv = E_{K_{max}} + b\ </math>