Efek fotolistrik

Prinsip pengukuran efek fotolistrik.

Emisi elektron dari pelat logam disebabkan oleh kuanta-foton cahaya.

Efek fotolistrik adalah pengeluaran elektron dari suatu permukaan (biasanya logam) ketika permukaan itu dikenai dan menyerap radiasi elektromagnetik (seperti cahaya tampak dan radiasi ultraungu) yang berada di atas frekuensi ambang tergantung pada jenis permukaan. Elektron yang dipancarkan dengan cara ini disebut fotoelektron. Fenomena ini dipelajari dalam fisika benda terkondensasi, dan keadaan padat dan kimia kuantum untuk menarik kesimpulan tentang sifat-sifat atom, molekul, dan padatan. Efeknya telah menemukan penggunaan dalam perangkat elektronik yang dikhususkan untuk deteksi cahaya dan emisi elektron dengan waktu yang tepat.Istilah lama untuk efek fotolistrik adalah efek Hertz (yang saat ini tidak digunakan lagi). Hertz mengamati dan kemudian menunjukkan bahwa elektrode diterangi dengan sinar ultraviolet menciptakan bunga api listrik lebih mudah.

Efek fotolistrik membutuhkan foton dengan energi dari beberapa elektronvolt sampai lebih dari 1 MeV unsur yang nomor atomnya tinggi. Studi efek fotolistrik menyebabkan langkah-langkah penting dalam memahami sifat kuantum cahaya, elektron dan memengaruhi pembentukan konsep dualitas gelombang-partikel. Fenomena cahaya yang memengaruhi gerakan muatan listrik ini termasuk efek fotokonduktif (juga dikenal sebagai fotokonduktivitas atau fotoresistivitas), efek fotovoltaik, dan efek fotoelektrokimia.

Mekanisme Emisi

Foton dari sinar memiliki energi karakteristik yang ditentukan oleh frekuensi cahaya. Dalam proses fotoemisi, jika elektron dalam beberapa bahan menyerap energi dari satu foton dan dengan demikian memiliki lebih banyak energi daripada fungsi kerja (energi ikat elektron) dari materi, itu dikeluarkan. Jika energi foton terlalu rendah, elektron tidak bisa keluar dari materi. Peningkatan intensitas sinar meningkatkan jumlah foton dalam berkas cahaya, dan dengan demikian meningkatkan jumlah elektron, tetapi tidak meningkatkan energi setiap elektron yang dimiliki. Energi dari elektron yang dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya yang masuk, tetapi hanya pada energi atau frekuensi foton individual. Ini adalah interaksi antara foton dan elektron terluar.

Elektron dapat menyerap energi dari foton ketika disinari, tetapi mereka biasanya mengikuti prinsip "semua atau tidak sama sekali". Semua energi dari satu foton harus diserap dan digunakan untuk membebaskan satu elektron dari atom yang mengikat, atau energi dipancarkan kembali. Jika energi foton diserap, sebagian energi membebaskan elektron dari atom, dan sisanya menjadi energi kinetik elektron sebagai partikel bebas.

Tidak ada elektron yang dilepaskan oleh radiasi di bawah frekuensi ambang, karena elektron tidak mendapatkan energi yang cukup untuk mengatasi ikatan atom. Elektron yang dipancarkan biasanya disebut fotoelektron dalam banyak buku pelajaran.

Efek fotolistrik banyak membantu penduaan gelombang-partikel, dimana sistem fisika (seperti foton dalam kasus ini) dapat menunjukkan kedua sifat dan kelakuan seperti-gelombang dan seperti-partikel, sebuah konsep yang banyak digunakan oleh pencipta mekanika kuantum. Efek fotolistrik dijelaskan secara matematis oleh Albert Einstein yang memperluas kuanta yang dikembangkan oleh Max Planck.

Hukum emisi fotolistrik:

1. Untuk logam dan radiasi tertentu, jumlah fotoelektro yang dikeluarkan berbanding lurus dengan intensitas cahaya yg digunakan.
2. Untuk logam tertentu, terdapat frekuensi minimum radiasi. di bawah frekuensi ini fotoelektron tidak bisa dipancarkan.
3. Di atas frekuensi tersebut, energi kinetik yang dipancarkan fotoelektron tidak bergantung pada intensitas cahaya, namun bergantung pada frekuensi cahaya.
4. Perbedaan waktu dari radiasi dan pemancaran fotoelektron sangat kecil, kurang dari 10⁻⁹ detik.

Deskripsi matematis

Diagram energi kinetik maksimum sebagai fungsi frekuensi cahaya pada seng

Energi kinetik maksimum $K_{\max }$ dari elektron yang terlepas dirumuskan dengan

$K_{\max }=h\,f-\varphi ,$

dengan $h$ adalah konstanta Planck dan $f$ adalah frekuensi foton. Istilah $\varphi$ adalah fungsi kerja (terkadang dilambangkan $W$, atau $\phi$), yang menghasilkan energi minimum yang dibutuhkan untuk memindahkan elektron terdelokalisasi dari permukaan logam. Fungsi kerja ini dirumuskan

$\varphi =h\,f_{0},$

dengan $f_{0}$ adalah frekuensi ambang logam. Energi kinetik maksimum dari sebuah elektron yang terlepas adalah

$K_{\max }=h\left(f-f_{0}\right).$

Energi kinetik bernilai positif, maka harus ada $f>f_{0}$ sehingga efek fotolistrik bisa muncul.

Potensial Penghenti

Hubungan antara arus dan tegangan diterapkan menggambarkan sifat efek fotolistrik. Untuk diskusi, sumber cahaya menerangi P piring, dan lain elektrode pelat Q mengumpulkan setiap elektron yang dipancarkan. Kami bervariasi potensial antara P dan Q dan mengukur arus yang mengalir dalam sirkuit eksternal antara dua lempeng.

Jika frekuensi dan intensitas radiasi insiden adalah tetap, arus fotolistrik meningkat secara bertahap dengan peningkatan potensi positif sampai semua foto elektron yang dipancarkan dikumpulkan. Arus fotolistrik mencapai nilai saturasi dan tidak meningkatkan lebih lanjut untuk peningkatan potensi positif. Arus saturasi tergantung pada intensitas pencahayaan, tetapi tidak panjang gelombang.

Jika kita menerapkan potensi negatif ke piring Q sehubungan dengan plat P dan secara bertahap meningkatkan itu, berkurang saat fotolistrik sampai nol, pada potensial negatif tertentu di piring Q. potensi negatif minimum yang diberikan ke piring Q di mana arus fotolistrik menjadi nol disebut potensial menghentikan atau memotong potensial. [7]

Untuk frekuensi yang diberikan radiasi insiden, potensi berhenti adalah independen dari intensitasnya.

Untuk frekuensi yang diberikan radiasi insiden, potensi Vo berhenti berhubungan dengan energi kinetik maksimum fotoelektron yang hanya berhenti dari T. piring mencapai Jika m adalah massa dan v adalah kecepatan maks maksimum fotoelektron dipancarkan, maka

$K_{\mathrm {max} }={\frac {1}{2}}mv_{\mathrm {max} }^{2}$

Jika e adalah muatan pada elektron dan V 0 adalah potensial penahan, maka pekerjaan yang dilakukan oleh potensi perlambatan dalam menghentikan elektron = e V 0, yang memberikan

${1 \over 2}mv_{\mathrm {max} }^{2}=eV_{0}$

Hubungan di atas menunjukkan bahwa kecepatan maksimum fotoelektron dipancarkan tidak tergantung pada intensitas cahaya insiden. Oleh karena itu,

$K_{\mathrm {max} }=\ eV_{0}$

Tegangan menghentikan bervariasi secara linear dengan frekuensi cahaya, tetapi tergantung pada jenis bahan. Untuk materi tertentu, ada frekuensi ambang yang harus dilampaui, independen dari intensitas cahaya, untuk mengamati emisi elektron.

Tiga langkah model

Dalam rezim sinar-X, efect fotolistrik dalam bahan kristal sering didekomposisi menjadi tiga langkah: [8]

1. Inner efek fotolistrik (lihat diode di bawah). Lubang tertinggal dapat menimbulkan efek auger, yang terlihat bahkan ketika elektron tidak meninggalkan materi. Dalam padatan molekul fonon sangat antusias dalam langkah ini dan dapat terlihat sebagai garis dalam energi elektron akhir. The inner photoeffect has to be dipole allowed. Bagian dalam photoeffect akan terbebaskan dari dipolnya. Para aturan transisi untuk atom menerjemahkan melalui model ketat mengikat ke kristal. Mereka adalah serupa geometri untuk osilasi plasma dalam bahwa mereka harus transversal.
2. Balistik transportasi setengah dari elektron ke permukaan. Some electrons are scattered. Elektron-elektron akan memencar.
3. Elektron melarikan diri dari bahan di permukaan.

Dalam model tiga langkah, elektron dapat mengambil beberapa jalur melalui tiga langkah. Semua jalan dapat mengganggu dalam arti formulasi jalan terpisahkan. Untuk negara permukaan dan molekul model tiga langkah apakah masih masuk akal bahkan beberapa sebagai yang paling atom memiliki elektron yang dapat menyebarkan beberapa elektron yang meninggalkan.

Sejarah

J.J. Thomson: Elektron

Pada tahun 1899, Joseph John Thomson meneliti cahaya ultraungu dalam tabung sinar katode. Dipengaruhi oleh kerja James Clerk Maxwell, Thomson menyimpulkan bahwa sinar katode terdiri atas partikel-partikel bermuatan negatif, yang dia sebut corpuscles (belakangan disebut "elektron"). Dalam penelitian tersebut, Thomson menempatkan pelat logam (yaitu, katode) dalam tabung hampa, dan menyinarinya dengan radiasi frekuensi tinggi.