تأثير الكهروضوئي
من ويكيبيديا ، الموسوعة الحرة.
القفز إلى : الملاحة ، بحث
التأثير الكهروضوئي هو انبعاث الالكترونات من المسألة على إمتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي ، مثل الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية. وكان كبير السن الأجل للتأثير الكهروضوئي تأثير هيرتز ، على الرغم من هذه العبارة قد انخفض من الاستخدام الحالي. [1]
محتويات [إخفاء]
1 مقدمة
2 التاريخ
2،1 الملاحظات المبكرة
شرارة 2.2 هيرتز الثغرات
2.3 JJ طومسون : الالكترونات
2.4 تيسلا الطاقة الإشعاعية
2.5 فون لينارد ملاحظات
2.6 آينشتاين : الضوء كمات
2.7 تأثير على موجة الجسيمات السؤال
3 شرح
3.1 المعادلات
4 الأغراض والآثار
4.1 Electroscopes
4.2 التحليل الطيفي الضوئية
4.3 مركبة فضائية
4.4 القمر الغبار
(5) انظر أيضا
6 وصلات خارجية ومراجع
[عدل]
مقدمة
التأثير الكهروضوئي. الواردة EM الإشعاع على اليسار يقذف الألكترونات ، كما هو مبين تحلق قبالة إلى اليمين ، من substance.Upon تعريض السطح المعدني إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي فوق تردد العتبة (الذي معين إلى كل نوع من السطحية والمادية) ، والفوتونات يتم استيعابها ويتم إنتاج الحالي. لا تنبعث الالكترونات للإشعاع مع تردد أدنى من العتبة ، والإلكترونات غير قادر على كسب ما يكفي من الطاقة للتغلب على الحاجز الكهربائي الذي قدمه إنهاء السطح البلوري (وظيفة عمل المادة). من جانب الحفاظ على الطاقة ، ويتم امتصاص الطاقة من الفوتون من الالكترون ، وإذا ما يكفي من حيوية ، لا يمكن الهروب من مواد الطاقة مع حركية محدودة. يمكن للمرء أن الفوتون إزالة إلكترون واحد فقط. وغالبا ما يطلق على الإلكترونات التي تنبعث الالكترونات الضوءيه.
ساعد التأثير الكهروضوئي مزيد من موجة الجسيمات الازدواجية ، حيث النظم الفيزيائية (مثل الفوتونات ، في هذه الحالة) عرض خصائص كل موجة تشبه والجسيمات مثل والسلوكيات ، وهو المفهوم الذي كان يستخدم من قبل المبدعين من ميكانيكا الكم. وأوضح التأثير الكهروضوئي رياضيا من قبل ألبرت آينشتاين ، الذي مدد العمل على الكميات التي وضعها ماكس بلانك.
[عدل]
تاريخ
[عدل]
في وقت مبكر الملاحظات
في عام 1839 ، لاحظ الكسندر ادمون بيكريل التأثير الكهروضوئي عن طريق قطب كهربائي في محلول موصل تعرضها للضوء. في عام 1873 ، وجدت أن السيلينيوم يلوغبي سميث هو ضوئية.
[عدل]
فجوات شرارة هيرتز
هاينريش هيرتز ، في 1887 ، ملاحظات من التأثير الكهروضوئي والإنتاج واستقبال الكهرومغناطيسية (EM) الأمواج ، ونشرت في مجلة دير Physik الرفيعة انالين. تألف المتلقي له من لفائف مع وجود فجوة شرارة ، وعندها سيعتبر شرارة عند الكشف عن موجات EM. وضعه الجهاز في مربع مظلمة من أجل أن نرى شرارة أفضل ، وأنه لاحظ ، مع ذلك ، أنه تم تخفيض الحد الأقصى لطول الشرارة عندما تكون في منطقة الجزاء. ألف لوحة زجاجية وضعت بين مصدر موجات EM واستقبال الأشعة فوق البنفسجية التي تساعد على امتصاص الإلكترونات في القفز عبر الفجوة. عند إزالتها ، فإن زيادة طول الشرارة. لاحظ أي انخفاض في طول الشرارة عندما استبدل الكوارتز لصنع الزجاج ، والكوارتز لا تمتص الأشعة فوق البنفسجية.
اختتمت هيرتز شهوره من التحقيق والإبلاغ عن النتائج التي تم الحصول عليها. وقال انه لم يتابع بمزيد من التحقيقات بهذا الشأن ، كما أنه لم يجعل أي محاولة لشرح كيف تم جلب هذه الظاهرة لوحظ تقريبا.
[عدل]
JJ طومسون : الالكترونات
في 1899 ، جوزيف جون طومسون التحقيق الضوء فوق البنفسجي في أنابيب كروكس. يستنتج طومسون يتأثر عمل جيمس كلارك ماكسويل ، أن أشعة الكاثود تتكون من جسيمات سالبة الشحنة ، تسمى الإلكترونات في وقت لاحق ، وهو ما يسمى "كريات". في مجال البحث والمغلقة طومسون لوحة معدنية (أ الكاثود) في أنبوب فراغ ، وتعرضها لأشعة عالية التردد. وكان يعتقد أن المجالات الكهرومغناطيسية تسبب تتأرجح حقل ذرة "ليتردد صداها ، وبعد التوصل إلى سعة معينة ، وتسبب في سوبتوميك" جسيم "إلى أن تنبعث ، والحالية ليتم اكتشافها. التيار وسرعة هذا التيار تختلف باختلاف كثافة ولون الإشعاع. وزيادات أكبر من كثافة الإشعاع أو تردد الحقل تنتج أكثر الحالي.
[عدل]
تيسلا الطاقة الإشعاعية
في عام 1901 في 5 تشرين الثاني ، تلقى نيكولا تيسلا الولايات المتحدة للبراءات 685957 (جهاز لاستغلال الطاقة المشعة) التي تصف الإشعاع الشحن والتفريغ الموصلات ب "الطاقة المشعة". تستخدم تيسلا هذا التأثير لشحن مكثف مع الطاقة عن طريق لوحة موصل. البراءة المحدد ان الاشعاع تشمل أشكالا عديدة ومختلفة.
[عدل]
فون لينارد ملاحظات
في عام 1902 ، لاحظ فيليب فون لينارد [2] الإختلاف في طاقة الإلكترون مع تردد الضوء. اعتاد قوية مصباح القوس الكهربائي التي مكنته من تحقيق تغييرات كبيرة في شدة ، وكان قوة كافية لتمكينه من التحقيق في تباين محتمل مع تردد الضوء. تجربته الإمكانيات مباشرة يقاس ، وليس الطاقة الحركية الإلكترون : وجد طاقة الإلكترون التي ربطها احتمال وقف أقصى (الجهد) في phototube. وجد أن يتم تحديد الحد الأقصى الإلكترون الطاقة الحركية التي حسبت على أساس تواتر الضوء. على سبيل المثال ، زيادة في تواتر النتائج إلى زيادة في الطاقة الحركية القصوى حسبت لألكترون على التحرير -- من شأنه أن الأشعة فوق البنفسجية تتطلب أعلى لتطبيق وقف محتمل لوقف الحالي في phototube من الضوء الأزرق. ولكن النتائج لينارد النوعي وليس الكمي بسبب صعوبة في أداء التجارب : التجارب ينبغي القيام به على المعادن خفض حديثا بحيث لوحظ المعدن النقي ، لكنه يتأكسد في عشرات من الدقائق حتى في الفراغات الجزئية التي استخدمها. تم تحديد الحالية التي تنبعث من سطح الأرض عن طريق شدة الضوء ، أو سطوع : مضاعفة كثافة الضوء تضاعف عدد الالكترونات المنبعثة من سطح الأرض. لينارد لم يكن يعرف من الفوتونات.
[عدل]
آينشتاين : الضوء كمات
وصف ألبرت آينشتاين الرياضي في عام 1905 كيف كان سببه امتصاص ما كانت تسمى في وقت لاحق الفوتونات ، أو كمات من الضوء ، في تفاعل الضوء مع الإلكترونات في الجوهر ، وقد ورد في ورقة تسمى "على وجهة نظر إرشادية تتعلق انتاج وتحويل الضوء ". اقترحت هذه الورقة الوصف البسيط "كمات الضوء" (يسمى لاحقا "الفوتونات") وأظهر كيف يمكن استخدامها لتفسير الظواهر مثل التأثير الكهروضوئي. وأوضح أن التفسير البسيط من قبل آينشتاين من حيث استيعاب الكميات واحد من الضوء على ملامح هذه الظاهرة ، وساعدت في تفسير تردد مميزة. فاز تفسير آينشتاين للتأثير الكهروضوئي له جائزة نوبل عام 1921.
وكان الدافع وراء فكرة كمات الضوء عليها القانون ماكس بلانك المنشورة إشعاع الجسم الأسود ("على قانون توزيع الطاقة في الطيف عادي". انالين دير Physik الرفيعة 4 (1901)) عن طريق افتراض أن التذبذب الهرتزية يمكن أن توجد فقط عند طاقات متناسبة مع التردد f المذبذب من قبل E = HF ، حيث ح هو ثابت بلانك E. آينشتاين ، وذلك على افتراض أن الضوء يتكون في الواقع من الحزم الطاقة المنفصلة ، كتب معادلة للتأثير الكهروضوئي الذي تجارب مناسبا. كانت هذه قفزة هائلة النظرية وقاوم بشدة واقع الكميات الخفيفة. فكرة كمات الضوء يتناقض مع نظرية موجة الضوء التي تلت طبيعيا من جيمس كلارك ماكسويل معادلات للسلوك الكهرومغناطيسي ، وبشكل أعم ، فإن الافتراض الإنقسام اللانهائي من الطاقة في النظم الفيزيائية. حتى بعد أن أظهرت التجارب أن معادلات آينشتاين للتأثير الكهروضوئي كانت دقيق كان هناك مقاومة لفكرة الفوتونات ، منذ أن ظهر لمناقضة معادلات ماكسويل ، الذي كان يعتقد أن يكون مفهوما جيدا والتحقق منها بشكل جيد.
توقع عمل آينشتاين بأن طاقة الألكترونات المقذوفة من شأنه أن يزيد خطيا مع تواتر الضوء. ربما من المستغرب ، أن ذلك لم يتم بعد اختبارها. في عام 1905 كان من المعروف أن الطاقة من الالكترونات الضوءيه مع زيادة وتيرة متزايدة من الضوء الساقط ، ولكن ليس بطريقة الزيادة تجريبيا ليكون خطي حتى 1915 عندما روبرت اندروز ميليكان أظهرت أن آينشتاين كان صحيح [3].
[عدل]
التأثير على موجة الجسيمات السؤال
ساعد التأثير الكهروضوئي دفع مفهوم الناشئة آنذاك من الطبيعة المزدوجة للضوء ، ذلك الضوء يسلك خصائص الموجات والجزيئات في أوقات مختلفة. كان التأثير المستحيل أن نفهم من حيث الوصف الموجة الكلاسيكي للضوء ، والطاقة المنبعثة من الإلكترونات لا تعتمد على كثافة الإشعاع الساقط. توقعت النظرية الكلاسيكية بأن الألكترونات يمكن أن 'جمع ما يصل للطاقة على مدى فترة من الزمن ، ثم أن تنبعث. لأن من شأن مثل هذه النظرية الكلاسيكية للعمل دولة محملة مسبقا الحاجة إلى الاستمرار في هذه المسألة. ونوقشت فكرة الدولة قبل تحميلها في الإلكترونات الكتاب ميليكان و(+ و --) وفي كومبتون وكتاب أليسون الأشعة السينية في النظرية والتجربة. وتم التخلي عن هذه الأفكار.
[عدل]
شرح
الفوتونات من شعاع الضوء لديها الطاقة المميزة التي قدمها الطول الموجي للضوء. في عملية إصدار ضوئي ، إذا كان الإلكترون تمتص الطاقة من فوتون واحد وله طاقة أكثر من وظيفة العمل ، وإخراجه من هذه المادة. إذا كانت طاقة الفوتون منخفض جدا ، ومع ذلك ، فإن الإلكترونات غير قادر على الهروب من سطح المادة. زيادة كثافة شعاع الضوء لا تغير طاقة الفوتونات التأسيسية ، إلا على عدد ، وبالتالي فإن الطاقة المنبعثة من الإلكترونات لا تعتمد على كثافة الضوء واردة.
يمكن أن تمتص الطاقة من الإلكترونات الفوتونات عند المشع ، لكنها تتبع "كل شيء أو لا شيء" المبدأ. يجب أن تستوعب كل الطاقة من فوتون واحد وتستخدم لتحرير إلكترون واحد من ذرية ملزمة ، أو إعادة المنبعثة - الطاقة. إذا تم امتصاص الفوتون ، ويستخدم بعض من الطاقة لتحريرها من الذرة ، والباقي يساهم في طاقة الإلكترون (الانتقال) والحركية والجسيمات الحرة.
[عدل]
المعادلات
في تحليل التأثير الكهروضوئي كميا باستخدام طريقة آينشتاين ، يتم استخدام ما يعادل المعادلات التالية :
الطاقة اللازمة للطاقة الفوتون = لإزالة الطاقة الحركية + الإلكترون الإلكترون المنبعث
جبريا :
باستخدام الرموز الفيزيائيين ':
حيث
ح هو ثابت بلانك ؛
و هو تواتر الفوتون الحادث ؛
F0 هو تردد العتبة للتأثير الكهروضوئي أن يحدث ؛
φ هي وظيفة عمل ، أو الطاقة الحد الأدنى المطلوب لإزالة إلكترون من ذرية ملزمة ، و
إيك هي الطاقة الحركية القصوى المرصودة.
ملاحظة : إذا طاقة الفوتون (HF) ليست أكثر من وظيفة العمل (φ) ، سوف تنبعث لا الإلكترون. هو الرمز أحيانا وظيفة عمل دبليو
عندما لا يلاحظ هذه المعادلة ليكون صحيحا (وهذا هو ، لا تنبعث الإلكترون أو أنها أقل من الطاقة الحركية المتوقعة) ، قد يكون لأنه عندما يعطي كمية من الطاقة الزائدة في الجسم ، ويمتص بعض الطاقة في شكل حرارة أو كما تنبعث من الإشعاع ، حيث لا يوجد نظام فعال تماما.
[عدل]
الاستخدامات والآثار
الخلايا الشمسية (المستخدمة في الطاقة الشمسية) والثنائيات حساسة للضوء استخدام التأثير الكهروضوئي. أنها تمتص فوتونات من الضوء ووضع الطاقة في الإلكترونات ، وخلق تيار كهربائي.
[عدل]
Electroscopes
Electroscopes هي على شكل شوكة ، تمحور أوراق معدنية وضعت في فراغ جرة ، ويتعرضون جزئيا إلى البيئة الخارجية. عندما يعهد الى المكشاف الكهربائي سلبا أو إيجابا ، ويترك منفصلين ، وتوزع بالتساوي على طول تهمة يترك تسبب التنافر بين قطبين شابه ذلك. عندما الأشعة فوق البنفسجية (أو أي إشعاع فوق تردد العتبة) يضيء على الخارج المعدني من المكشاف الكهربائي ، وعلى نطاق واتهم سلبا على أداء الأوراق ستنهار ، بينما لا شيء سيحدث على نطاق موجبة الشحنة (إلى جانب تهمة تسوس). السبب هو أن الإلكترونات سوف تتحرر من يوجه الاتهام لأحد سلبا ، مما يجعل تدريجيا محايدة ، في حين التحرر من الإلكترونات الموجبة الشحنة واحد سوف جعله أكثر إيجابية ، وحفظ الأوراق إربا.
[عدل]
التحليل الطيفي الضوئية
منذ الطاقة من الالكترونات الضوءيه المنبعث هو بالضبط طاقة الفوتون الحادث بالاضافة الى وظيفة المادية في العمل أو الطاقة الملزمة ، يمكن تحديد وظيفة عمل عينة بقذف مع مصدر الأشعة السينية أحادي اللون أو مصدر الأشعة فوق البنفسجية (عادة الهليوم مصباح التفريغ) ، وقياس توزيع الطاقة الحركية للالكترونات المنبعثة.
يجب أن يتم ذلك في بيئة فراغ عالية ، إذ أن تكون مبعثرة الإلكترونات عن طريق الجو.
A محلل طاقة الإلكترون نموذجي هو محلل متراكز نصف كروية (CHA) ، الذي يستخدم لتحويل الحقل الكهربائي الالكترونات كميات مختلفة اعتمادا على طاقاتهم الحركية. لكل عنصر والأساسية المدار الذري سيكون هناك طاقة مختلفة ملزمة. فإن الكثير من الالكترونات التي تم إنشاؤها من كل عرض بعد ذلك على النحو المسامير في محلل ، ويمكن استخدامها لتحديد التركيب العنصري للعينة. [4]
[عدل]
المركبة الفضائية
وسوف يؤدي التأثير الكهروضوئي المركبة الفضائية تتعرض لأشعة الشمس لوضع شحنة موجبة. وهذا يمكن الحصول على ما يصل إلى عشرات فولت. هذا يمكن ان يكون مشكلة كبيرة ، وأجزاء أخرى من المركبة الفضائية في ظل وضع شحنة سالبة (إلى عدة كيلوفولت) من البلازما القريب ، وهذا الخلل يمكن من خلال تفريغ المكونات الكهربائية الحساسة. التهمة ثابتة أنشأتها التأثير الكهروضوئي هو الحد الذاتي ، وذلك لأن أكثر كائن مشحونة يتخلى الإلكترونات في أقل بسهولة [5].
[عدل]
القمر الغبار
ضوء من الغبار القمري ضرب أحد الأسباب لتصبح مشحونة من خلال التأثير الكهروضوئي. الغبار المشحونة ثم يصد نفسه والمصاعد قبالة سطح القمر بحلول القطار الكهربائي. ويتجلى هذا تقريبا مثل "مناخ من الغبار" ، مرئية كما ضباب رقيق وعدم وضوح ملامح بعيدة ، ومرئية كما توهج خافت بعد غروب الشمس. تم تصويره الاولى من هذا من قبل المساح القمري في 1960s. ويعتقد أن يتم صد أصغر الجزيئات تصل إلى كيلومترات عالية ، والتي تتحرك الجزيئات في "ينابيع" لأنها تهمة والتفريغ. [6] [7]