In der fotoelektrischen Wirkung werden Elektronen von der Sache (Metalle und nichtmetallische Festkörper, Flüssigkeiten oder Benzin) demzufolge ihrer Absorption der Energie von der elektromagnetischen Radiation der sehr kurzen Wellenlänge wie sichtbare oder Ultraviolettstrahlung ausgestrahlt. Auf diese Weise ausgestrahlte Elektronen können Photoelektronen genannt werden. Zuerst beobachtet von Heinrich Hertz 1887 ist das Phänomen auch bekannt als die Wirkung von Hertz, obwohl der letzte Begriff aus dem allgemeinen Gebrauch gefallen ist. Hertz hat beobachtet und hat dann gezeigt, dass mit dem ultravioletten Licht illuminierte Elektroden elektrische Funken leichter schaffen.

Die fotoelektrische Wirkung verlangt Fotonen mit Energien von einigen electronvolts bis mehr als 1 MeV in hohen Atomnummer-Elementen. Die Studie der fotoelektrischen Wirkung hat zu wichtigen Schritten im Verstehen der Quant-Natur des Lichtes und der Elektronen geführt und hat die Bildung des Konzepts der Dualität der Welle-Partikel beeinflusst. Andere Phänomene, wo Licht die Bewegung von elektrischen Anklagen betrifft, schließen die photoleitende Wirkung (auch bekannt als Photoleitvermögen oder photospezifischer Widerstand), die photovoltaic Wirkung und die photoelektrochemische Wirkung ein.

Emissionsmechanismus

Die Fotonen eines leichten Balkens haben eine charakteristische zur Frequenz des Lichtes proportionale Energie. Im Photoemissionsprozess, wenn ein Elektron innerhalb von einem Material die Energie eines Fotons absorbiert und mehr Energie erwirbt als die Arbeitsfunktion (die Elektronbindungsenergie) des Materials, wird es vertrieben. Wenn die Foton-Energie zu niedrig ist, ist das Elektron unfähig, dem Material zu entkommen. Die Erhöhung der Intensität des leichten Balkens steigert die Zahl von Fotonen im leichten Balken, und steigert so die Zahl von Elektronen aufgeregt, aber vergrößert die Energie nicht, die jedes Elektron besitzt. Die Energie der ausgestrahlten Elektronen hängt von der Intensität des eingehenden Lichtes, aber nur auf der Energie oder Frequenz der individuellen Fotonen nicht ab. Es ist eine Wechselwirkung zwischen dem Ereignis-Foton und dem äußersten Elektron.

Elektronen können Energie von Fotonen, wenn bestrahlt, absorbieren, aber sie folgen gewöhnlich "allen oder nichts" Grundsatz. Die ganze Energie von einem Foton muss absorbiert und verwendet werden, um ein Elektron von der Atomschwergängigkeit zu befreien, oder die Energie wiederausgestrahlt wird. Wenn die Foton-Energie absorbiert wird, befreit etwas von der Energie das Elektron vom Atom, und der Rest trägt zur kinetischen Energie des Elektrons als eine freie Partikel bei.

Experimentelle Beobachtungen der fotoelektrischen Emission

Die Theorie der fotoelektrischen Wirkung muss die experimentellen Beobachtungen der Emission von Elektronen von einer beleuchteten Metalloberfläche erklären.

Für ein gegebenes Metall, dort besteht eine bestimmte minimale Frequenz der Ereignis-Radiation, unter der keine Photoelektronen ausgestrahlt werden. Diese Frequenz wird die Schwellenfrequenz genannt. Die Erhöhung der Frequenz des Ereignis-Balkens, das Halten der Zahl von Ereignis-Fotonen befestigt (würde das auf eine proportionale Zunahme in der Energie hinauslaufen), vergrößern die maximale kinetische Energie der ausgestrahlten Photoelektronen. So die anhaltenden Stromspannungszunahmen. Die Zahl von Elektronen ändert sich auch, weil die Wahrscheinlichkeit, dass jedes Foton auf ein ausgestrahltes Elektron hinausläuft, eine Funktion der Foton-Energie ist.

Über der Schwellenfrequenz hängt die maximale kinetische Energie des ausgestrahlten Photoelektrons von der Frequenz des Ereignis-Lichtes ab, aber ist der Intensität des Ereignis-Lichtes unabhängig, so lange der Letztere nicht zu hoher ist

Für ein gegebenes Metall und Frequenz der Ereignis-Radiation ist die Rate, an der Photoelektronen vertrieben werden, zur Intensität des Ereignis-Lichtes direkt proportional. Die Zunahme in der Intensität des Ereignis-Balkens (die Frequenz befestigt behaltend), vergrößert den Umfang des fotoelektrischen Stroms, obwohl das Aufhören der Stromspannung dasselbe bleibt.

Der zeitliche Abstand zwischen dem Vorkommen der Radiation und der Emission eines Photoelektrons ist sehr klein, weniger als 10-Sekunden-.

Die Richtung des Vertriebs von ausgestrahlten Elektronen kulminiert in der Richtung auf die Polarisation (die Richtung des elektrischen Feldes) vom Ereignis-Licht, wenn es geradlinig polarisiert wird.

Mathematische Beschreibung

Die maximale kinetische Energie eines vertriebenen Elektrons wird durch gegeben

wo der Planck unveränderlich ist und die Frequenz des Ereignis-Fotons ist. Der Begriff ist die Arbeitsfunktion (manchmal angezeigt), der die minimale Energie gibt, die erforderlich ist, ein delocalised Elektron von der Oberfläche des Metalls zu entfernen. Die Arbeitsfunktion befriedigt

wo die Schwellenfrequenz für das Metall ist. Die maximale kinetische Energie eines vertriebenen Elektrons ist dann

Kinetische Energie ist positiv, so müssen wir für die fotoelektrische Wirkung haben vorzukommen.

Das Aufhören des Potenzials

Die Beziehung zwischen der aktuellen und angewandten Stromspannung illustriert die Natur der fotoelektrischen Wirkung. Für die Diskussion illuminiert eine leichte Quelle einen Teller P, und eine andere Teller-Elektrode Q sammelt irgendwelche ausgestrahlten Elektronen. Wir ändern das Potenzial zwischen P und Q und messen das aktuelle Fließen im Außenstromkreis zwischen den zwei Tellern.

Wenn die Frequenz und die Intensität der Ereignis-Radiation befestigt werden, nimmt der fotoelektrische Strom allmählich mit einer Zunahme im positiven Potenzial auf der Sammler-Elektrode zu, bis alle ausgestrahlten Photoelektronen gesammelt werden. Der fotoelektrische Strom erreicht einen Sättigungswert und nimmt weiter für keine Zunahme im positiven Potenzial zu. Der Sättigungsstrom hängt von der Intensität der Beleuchtung, aber nicht seiner Wellenlänge ab.

Wenn wir ein negatives Potenzial auf den Teller Q in Bezug auf den Teller P anwenden und es allmählich, die fotoelektrischen aktuellen Abnahmen vergrößern, bis es Null, an einem bestimmten negativen Potenzial auf dem Teller Q ist. Das minimale negative Potenzial, das dem Teller Q gegeben ist, an dem der fotoelektrische Strom Null wird, wird genannt, potenziell anhaltend, oder hat Potenzial abgeschnitten.

i. Für die gegebene Frequenz der Ereignis-Radiation ist das anhaltende Potenzial seiner Intensität unabhängig.

ii. Für eine gegebene Frequenz der Ereignis-Radiation ist anhaltender potenzieller Vo mit der maximalen kinetischen Energie des Photoelektrons verbunden, das gerade verhindert wird, Teller Q zu erreichen. Wenn die Masse ist und die maximale Geschwindigkeit des ausgestrahlten Photoelektrons, dann ist

Wenn qe die Anklage auf dem Elektron ist und das anhaltende Potenzial ist, dann die geleistete Arbeit durch das Verzögern-Potenzial im Aufhören des Elektrons, das gibt

Die obengenannte Beziehung zeigt, dass die maximale Geschwindigkeit des ausgestrahlten Photoelektrons der Intensität des Ereignis-Lichtes unabhängig ist. Folglich,

Die anhaltende Stromspannung ändert sich geradlinig mit der Frequenz des Lichtes, aber hängt vom Typ des Materials ab. Für jedes besondere Material gibt es eine Schwellenfrequenz, die überschritten, von der leichten Intensität unabhängig werden muss, um jede Elektronemission zu beobachten.

Dreistufiges Modell

Im Röntgenstrahl-Regime wird die fotoelektrische Wirkung im kristallenen Material häufig in drei Schritte zersetzt:

1. Innere fotoelektrische Wirkung (sieh Fotodiode unten). Das zurückgelassene Loch kann Erdbohrer-Wirkung verursachen, die sichtbar ist, selbst wenn das Elektron das Material nicht verlässt. In molekularen Festkörpern sind phonons in diesem Schritt aufgeregt und können als Linien in der Endelektronenergie sichtbar sein. Die innere Photowirkung muss erlaubter Dipol sein. Die Übergang-Regeln für Atome übersetzen über das dicht verbindliche Modell auf den Kristall. Sie sind in der Geometrie Plasmaschwingungen darin ähnlich sie müssen transversal sein.
2. Ballistischer Transport der Hälfte der Elektronen zur Oberfläche. Einige Elektronen werden gestreut.
3. Elektronen entfliehen dem Material an der Oberfläche.

Im dreistufigen Modell kann ein Elektron vielfache Pfade durch diese drei Schritte nehmen. Alle Pfade können sich im Sinne des Pfads integrierte Formulierung einmischen.

Für Oberflächenstaaten und Moleküle hat das dreistufige Modell wirklich noch einen Sinn als sogar die meisten Atome haben vielfache Elektronen, die ein Elektronverlassen streuen können.

Geschichte

Wenn eine Oberfläche zur elektromagnetischen Radiation über einer bestimmten Schwellenfrequenz ausgestellt wird (normalerweise sichtbares Licht für alkalische Metalle, die fast für andere Metalle ultraviolett sind und äußerst sind, ultraviolett für Nichtmetalle), wird die Radiation absorbiert, und Elektronen werden ausgestrahlt.

Licht und besonders ultraviolettes Licht, entladen negativ elektrisierte Körper mit der Produktion von Strahlen derselben Natur wie Kathode-Strahlen. Unter bestimmten Verhältnissen kann es Benzin direkt ionisieren. Das erste von diesen Phänomenen wurde von Hertz und Hallwachs 1887 entdeckt. Das zweite wurde zuerst von Philipp Lenard 1900 bekannt gegeben.

Das ultraviolette Licht, um diese Effekten zu erzeugen, kann bei einer Bogenlampe, oder durch brennendes Magnesium erhalten werden, oder indem es mit einer Induktionsrolle zwischen Zink- oder Kadmium-Terminals, dem Licht Funken gesprüht wird, von dem an ultravioletten Strahlen sehr reich ist. Sonnenlicht ist an ultravioletten Strahlen nicht reich, weil diese von der Atmosphäre gefesselt gewesen sind, und es fast eine so große Wirkung nicht erzeugt wie das Bogenlicht. Viele Substanzen außer Metallen entladen negative Elektrizität unter der Handlung des ultravioletten Lichtes: Listen dieser Substanzen werden in Vorträgen von G. C. Schmidt und O. Knoblauch gefunden.

Das 19. Jahrhundert

1839 hat Alexandre Edmond Becquerel die photovoltaic Wirkung entdeckt, während er die Wirkung des Lichtes auf elektrolytische Zellen studiert hat. Obwohl nicht gleichwertig zur fotoelektrischen Wirkung seine Arbeit an photovoltaics in der Vertretung einer starken Beziehung zwischen leichten und elektronischen Eigenschaften von Materialien instrumental war. 1873 hat Willoughby Smith Photoleitvermögen im Selen entdeckt, während er das Metall für seine hohen Widerstand-Eigenschaften in Verbindung mit seiner Arbeit geprüft hat, die mit Unterseeboottelegraf-Kabeln verbunden ist.

Johann Elster (1854-1920) und Hans Geitel (1855-1923), Studenten in Heidelberg, haben die ersten praktischen Fotozellen entwickelt, die verwendet werden konnten, um die Intensität des Lichtes zu messen. Elster und Geitel hatten erfolgreich die Effekten untersucht, die durch das Licht auf elektrisierte Körper erzeugt sind.

1887 hat Heinrich Hertz die fotoelektrische Wirkung und die Produktion und den Empfang von elektromagnetischen Wellen beobachtet. Er hat diese Beobachtungen in der Zeitschrift Annalen der Physik veröffentlicht. Sein Empfänger hat aus einer Rolle mit einer Funken-Lücke bestanden, wo ein Funken nach der Entdeckung von elektromagnetischen Wellen gesehen würde. Er hat den Apparat in einen dunkel gemachten Kasten gelegt, um den Funken besser zu sehen. Jedoch hat er bemerkt, dass die maximale Funken-Länge wenn im Kasten reduziert wurde. Eine Glastafel, die zwischen der Quelle von elektromagnetischen Wellen und dem Empfänger gelegt ist, hat Ultraviolettstrahlung absorbiert, die den Elektronen beim Springen über die Lücke geholfen hat. Wenn entfernt, würde die Funken-Länge zunehmen. Er hat keine Abnahme in der Funken-Länge beobachtet, als er gegen Quarz das Glas ausgewechselt hat, weil Quarz UV Radiation nicht absorbiert. Hertz hat seine Monate der Untersuchung geschlossen und hat die erhaltenen Ergebnisse gemeldet. Er hat Untersuchung dieser Wirkung nicht weiter verfolgt.

Die Entdeckung durch das Hertz 1887, dass das Vorkommen des ultravioletten Lichtes auf eine Funken-Lücke den Durchgang des Funkens, geführt sofort nach einer Reihe von Untersuchungen durch Hallwachs, Hoor, Righi und Stoletow. auf der Wirkung des Lichtes, und besonders des ultravioletten Lichtes auf beladenen Körpern erleichtert hat. Es wurde durch diese Untersuchungen bewiesen, dass eine kürzlich gereinigte Oberfläche von Zink, wenn angeklagt, wegen der negativen Elektrizität, schnell diese jedoch kleine Anklage verliert, kann es sein, wenn ultraviolettes Licht auf die Oberfläche fällt; während, wenn die Oberfläche zunächst unbeladen wird, sie eine positive Anklage, wenn ausgestellt, zum Licht, die negative Elektrifizierung erwirbt, die ins Benzin ausgeht, durch das das Metall umgeben wird; diese positive Elektrifizierung kann sehr durch die Richtung eines starken airblast gegen die Oberfläche vergrößert werden. Wenn jedoch die Zinkoberfläche positiv elektrisiert wird, erträgt sie keinen Verlust der Anklage, wenn ausgestellt, zum Licht: dieses Ergebnis ist infrage gestellt worden, aber eine sehr sorgfältige Überprüfung des Phänomenes durch Elster und Geitel hat gezeigt, dass der unter bestimmten Verhältnissen beobachtete Verlust wegen der Entladung durch das Licht ist, das von der Zinkoberfläche der negativen Elektrifizierung auf benachbarten Leitern widerspiegelt ist, die durch die positive Anklage, die negative Elektrizität unter dem Einfluss des elektrischen Feldes veranlasst sind, das sich bis zur positiv elektrisierten Oberfläche bewegt.

Hinsichtlich der Hertz-Wirkung haben die Forschungen vom Anfang eine große Kompliziertheit des Phänomenes der fotoelektrischen Erschöpfung — d. h. die progressive Verringerung der auf frische metallische Oberflächen beobachteten Wirkung gezeigt. Gemäß einer wichtigen Forschung durch Wilhelm Hallwachs hat Ozon eine wichtige Rolle im Phänomen gespielt. Jedoch gehen andere Elemente wie Oxydation, die Feuchtigkeit, die Weise von polnischer von der Oberfläche usw. herein. Es war zurzeit nicht sogar sicher, dass die Erschöpfung in einem Vakuum fehlt.

In der Periode vom Februar 1888 und bis 1891 wurde eine ausführliche Analyse der Photowirkung von Aleksandr Stoletov mit in 6 Arbeiten veröffentlichten Ergebnissen durchgeführt; vier von ihnen in Comptes Rendus, einer Rezension in der Physikalische Revue (übersetzt aus dem Russisch), und die letzte Arbeit in Journal de Physique. Erstens in diesen Arbeiten hat Stoletov eine neue experimentelle Einstellung erfunden, die für eine quantitative Analyse der Photowirkung passender war. Mit dieser Einstellung hat er die direkte Proportionalität zwischen der Intensität des Lichtes und dem veranlassten elektrischen Foto-Strom (das erste Gesetz der Photowirkung oder das Gesetz von Stoletov) entdeckt. Eines seiner anderen Ergebnisse hat sich aus Maßen der Abhängigkeit der Intensität des elektrischen Foto-Stroms auf dem Gasdruck ergeben, wo er die Existenz eines optimalen Gasdrucks P entsprechend einem maximalen Photostrom gefunden hat; dieses Eigentum wurde für eine Entwicklung von Sonnenzellen verwendet.

1899 hat J. J. Thomson ultraviolettes Licht in Tuben von Crookes untersucht. Unter Einfluss der Arbeit von James Clerk Maxwell hat Thomson diese Kathode abgeleitet Strahlen haben aus negativ beladenen Partikeln, später genannt Elektronen bestanden, die er "Körperchen" genannt hat. In der Forschung hat Thomson einen Metallteller (eine Kathode) in einer Vakuumtube eingeschlossen, und hat sie zur hohen Frequenzradiation ausgestellt. Es wurde gedacht, dass die schwingenden elektromagnetischen Felder das Feld der Atome veranlasst haben mitzuschwingen und, nach dem Erreichen eines bestimmten Umfangs, hat ein subatomares "Körperchen" veranlasst, und zu entdeckender Strom ausgestrahlt zu werden. Der Betrag dieses Stroms hat sich mit der Intensität und Farbe der Radiation geändert. Größere Strahlenintensität oder Frequenz würden aktueller erzeugen.

Das 20. Jahrhundert

Die Entdeckung der Ionisation von Benzin durch das ultraviolette Licht wurde von Philipp Lenard 1900 gemacht. Als die Wirkung über mehrere Zentimeter Luft erzeugt und sehr große positive und kleine negative Ionen gemacht wurde, war es natürlich, das Phänomen zu interpretieren, wie J. J. Thomson als eine Hertz-Wirkung auf die feste oder flüssige Partikel-Gegenwart im Benzin getan hat.

1902 hat Lenard bemerkt, dass die Energie der Person Elektronen ausgestrahlt hat, die mit der Frequenz vergrößert sind (der mit der Farbe verbunden ist) des Lichtes.

Das ist geschienen, uneins mit der Wellentheorie von James Clerk Maxwell des Lichtes zu sein, das, wie man dachte, vorausgesagt hat, dass die Elektronenergie zur Intensität der Radiation proportional sein würde.

Lenard hat die Schwankung in der Elektronenergie mit der leichten Frequenz mit einer starken elektrischen Bogenlampe beobachtet, die ihm ermöglicht hat, große Änderungen in der Intensität zu untersuchen, und das genügend Macht hatte, ihm zu ermöglichen, die Schwankung des Potenzials mit der leichten Frequenz zu untersuchen. Sein Experiment hat direkt Potenziale, nicht kinetische Elektronenergie gemessen: Er hat die Elektronenergie gefunden, indem er es mit dem maximalen anhaltenden Potenzial (Stromspannung) in einer Phototube verbunden hat. Er hat gefunden, dass die berechnete maximale kinetische Elektronenergie durch die Frequenz des Lichtes bestimmt wird. Zum Beispiel läuft eine Zunahme in der Frequenz auf eine Zunahme in der maximalen kinetischen Energie hinaus, die für ein Elektron auf die Befreiung berechnet ist - Ultraviolettstrahlung würde verlangen, dass ein höheres angewandtes anhaltendes Potenzial Strom in einer Phototube aufhört als blaues Licht. Jedoch waren die Ergebnisse von Lenard qualitativ aber nicht wegen der Schwierigkeit quantitativ, die Experimente durchzuführen: die Versuche mussten an frisch Kürzungsmetall angestellt werden, so dass das reine Metall beobachtet wurde, aber es hat in einer Sache von Minuten sogar in den teilweisen Vakua oxidiert, die er verwendet hat. Der durch die Oberfläche ausgestrahlte Strom wurde durch die Intensität des Lichtes oder Helligkeit bestimmt: Verdoppelung der Intensität des Lichtes hat die Zahl von von der Oberfläche ausgestrahlten Elektronen verdoppelt.

Die Forschungen von Langevin und haben diejenigen von Eugene Bloch gezeigt, dass der größere Teil der Wirkung von Lenard sicher wegen dieser 'Hertz-Wirkung' ist. Die Lenard Wirkung auf das Benzin selbst besteht dennoch. Wiedergefunden von J. J. Thomson und dann entscheidender durch Frederic Palmer den Jüngeren., es wurde studiert und hat sehr verschiedene Eigenschaften gezeigt als diejenigen, die zuerst ihm durch Lenard zugeschrieben sind.

1905 hat Albert Einstein dieses offenbare Paradox gelöst, indem er Licht, wie zusammengesetzt, aus getrennten Quanten, jetzt genannt Fotonen, aber nicht dauernde Wellen beschrieben hat. Gestützt auf der Theorie von Max Planck der Radiation des schwarzen Körpers hat Einstein theoretisiert, dass die Energie in jedem Quant des Lichtes der Frequenz gleich war, die mit einer Konstante, später die Konstante von genanntem Planck multipliziert ist. Ein Foton über einer Schwellenfrequenz hat die erforderliche Energie, ein einzelnes Elektron zu vertreiben, die beobachtete Wirkung schaffend. Diese Entdeckung hat zur Quant-Revolution in der Physik geführt und hat Einstein der Nobelpreis in der Physik 1921 verdient. Durch die Dualität der Welle-Partikel kann die Wirkung rein in Bezug auf Wellen obwohl nicht als günstig analysiert werden.

Die mathematische Beschreibung von Albert Einstein dessen, wie die fotoelektrische Wirkung durch die Absorption von Quanten des Lichtes (jetzt genannt Fotonen) verursacht wurde, war in einer seiner 1905-Zeitungen, genannt "Auf einem Heuristischen Gesichtspunkt Bezüglich der Produktion und Transformation des Lichtes". Dieses Papier hat die einfache Beschreibung "leichter Quanten" oder Fotonen vorgeschlagen und hat gezeigt, wie sie solche Phänomene als die fotoelektrische Wirkung erklärt haben. Seine einfache Erklärung in Bezug auf die Absorption von getrennten Quanten des Lichtes hat die Eigenschaften des Phänomenes und der charakteristischen Frequenz erklärt. Die Erklärung von Einstein der fotoelektrischen Wirkung hat ihn der Nobelpreis in der Physik 1921 gewonnen.

Die Idee von leichten Quanten hat mit dem veröffentlichten Gesetz von Max Planck der Radiation des schwarzen Körpers ("Auf dem Gesetz des Vertriebs der Energie im Normalen Spektrum") durch das Annehmen begonnen, dass Oszillatoren von Hertzian nur an Energien E proportional zur Frequenz f vom Oszillator durch E = hf bestehen konnten, wo h die Konstante von Planck ist. Indem er angenommen hat, dass Licht wirklich aus getrennten Energiepaketen bestanden hat, hat Einstein eine Gleichung für die fotoelektrische Wirkung geschrieben, die mit experimentellen Ergebnissen übereingestimmt ist. Es hat erklärt, warum die Energie von Photoelektronen nur von der Frequenz des Ereignis-Lichtes und nicht auf seiner Intensität abhängig war: Eine niedrige Intensität, Hochfrequenzquelle konnte einige hohe Energiefotonen liefern, wohingegen eine hohe Intensität, niederfrequente Quelle keine Fotonen der genügend individuellen Energie liefern würde, irgendwelche Elektronen zu entfernen. Das war ein enormer theoretischer Sprung, aber dem Konzept wurde zuerst stark widerstanden, weil es der Wellentheorie des Lichtes widersprochen hat, das natürlich von den Gleichungen von James Clerk Maxwell für das elektromagnetische Verhalten, und mehr allgemein, die Annahme der unendlichen Teilbarkeit der Energie in physischen Systemen gefolgt ist. Sogar nachdem Experimente gezeigt haben, dass die Gleichungen von Einstein für die fotoelektrische Wirkung genau waren, hat der Widerstand gegen die Idee von Fotonen weitergegangen, seitdem es geschienen ist, den Gleichungen von Maxwell zu widersprechen, die gut verstanden und nachgeprüft wurden.

Die Arbeit von Einstein hat vorausgesagt, dass die Energie der Person Elektronzunahmen geradlinig mit der Frequenz des Lichtes vertrieben hat. Vielleicht überraschend war die genaue Beziehung nicht damals geprüft worden. Vor 1905 war es bekannt, dass die Energie von Photoelektronzunahmen mit der zunehmenden Frequenz des Ereignis-Lichtes und der Intensität des Lichtes unabhängig ist. Jedoch wurde die Weise der Zunahme bis 1914 nicht experimentell bestimmt, als Robert Andrews Millikan gezeigt hat, dass die Vorhersage von Einstein richtig war.

Die fotoelektrische Wirkung hat geholfen, das dann erscheinende Konzept der dualistischen Natur des Lichtes anzutreiben, dieses Licht besitzt gleichzeitig die Eigenschaften sowohl von Wellen als auch von Partikeln, jeder, gemäß den Verhältnissen manifestiert werden. Die Wirkung war unmöglich, in Bezug auf die klassische Welle-Beschreibung des Lichtes zu verstehen, weil die Energie der ausgestrahlten Elektronen von der Intensität der Ereignis-Radiation nicht abgehangen hat. Klassische Theorie hat vorausgesagt, dass die Elektronen Energie über eine Zeitdauer von der Zeit 'aufnehmen', und dann ausgestrahlt werden würden.

Gebrauch und Effekten

Photovermehrer

Das sind äußerst mit dem Licht empfindliche Vakuumtuben mit einer Photokathode, die auf den Teil (ein Ende oder Seite) vom Inneren des Umschlags angestrichen ist. Die Photokathode enthält Kombinationen von Materialien wie Cäsium, Rubidium und Antimon, das besonders ausgewählt ist, um eine niedrige Arbeitsfunktion, so wenn illuminiert, sogar durch sehr niedrige Stufen des Lichtes zur Verfügung zu stellen, die Photokathode veröffentlicht sogleich Elektronen. Mittels einer Reihe von Elektroden (dynodes) an jemals höheren Potenzialen werden diese Elektronen beschleunigt und wesentlich in der Zahl durch die Sekundäremission vergrößert, um einen sogleich feststellbaren Produktionsstrom zur Verfügung zu stellen. Photovermehrer werden noch allgemein verwendet, wo auch immer niedrige Stufen des Lichtes entdeckt werden müssen.

Bildsensoren

Videokameratuben in den frühen Tagen des Fernsehens haben die fotoelektrische Wirkung zum Beispiel verwendet, der "Bildsezierer von Philo Farnsworth" hat einen durch die fotoelektrische Wirkung beladenen Schirm verwendet, ein optisches Image in ein gescanntes elektronisches Signal umzugestalten.

Blattgold-Elektroskop

Blattgold-Elektroskope werden entworfen, um statische Elektrizität zu entdecken. Auf der Metallkappe gelegte Anklage breitet sich zum Stamm und dem Blattgold des Elektroskops aus. Weil sie dann dieselbe Anklage haben, treiben der Stamm und das Blatt einander zurück. Das wird das Blatt veranlassen, sich weg vom Stamm zu biegen.

Das Elektroskop ist ein wichtiges Werkzeug in der Veranschaulichung der fotoelektrischen Wirkung. Zum Beispiel, wenn das Elektroskop überall negativ beladen wird, gibt es ein Übermaß an Elektronen, und das Blatt wird vom Stamm getrennt. Wenn leichte Hochfrequenzscheine auf der Kappe, den Elektroskop-Entladungen und dem Blatt Hinken fallen werden. Das ist, weil die Frequenz des Lichtes, das auf der Kappe scheint, über der Schwellenfrequenz der Kappe ist. Die Fotonen im Licht haben genug Energie, Elektronen von der Kappe zu befreien, seine negative Anklage reduzierend. Das wird ein negativ beladenes Elektroskop und weitere Anklage ein positives Elektroskop entladen. Jedoch, wenn die elektromagnetische Radiation, die die Metallkappe schlägt, keine genug hohe Frequenz hat (seine Frequenz ist unter dem Schwellenwert für die Kappe), dann wird sich das Blatt nie entladen, egal wie lange man das niederfrequente Licht an der Kappe poliert.

Photoelektronspektroskopie

Da die Energie der ausgestrahlten Photoelektronen genau die Energie des Ereignis-Fotons minus die Arbeitsfunktion oder Bindungsenergie des Materials ist, kann die Arbeitsfunktion einer Probe durch das Bombardieren davon mit einer monochromatischen Röntgenstrahl-Quelle oder UV Quelle, und das Messen des kinetischen Energievertriebs der ausgestrahlten Elektronen bestimmt werden.

Photoelektronspektroskopie wird in einer Hochvakuum-Umgebung getan, da die Elektronen durch Gasmoleküle gestreut würden, wenn sie anwesend wären. Die leichte Quelle kann ein Laser, eine Entladungstube oder eine Synchrotron-Strahlenquelle sein.

Der konzentrische hemispherical Analysator (CHA) ist eine typische Elektronenergie Analysator, und verwendet ein elektrisches Feld, um die Richtungen von Ereignis-Elektronen abhängig von ihren kinetischen Energien zu ändern. Für jedes Element und Kern (atomar Augenhöhlen-) wird es eine verschiedene Bindungsenergie geben. Die vielen von jeder dieser Kombinationen geschaffenen Elektronen werden als Spitzen in der Produktion von Analysator auftauchen, und diese können verwendet werden, um die elementare Zusammensetzung der Probe zu bestimmen.

Raumfahrzeug

Die fotoelektrische Wirkung wird zum Sonnenlicht ausgestelltes Raumfahrzeug veranlassen, eine positive Anklage zu entwickeln. Das kann ein Hauptproblem sein, weil andere Teile des Raumfahrzeugs im Schatten eine negative Anklage von nahe gelegenem Plasma entwickeln, und sich die Unausgewogenheit durch feine elektrische Bestandteile entladen kann. Die statische durch die fotoelektrische Wirkung geschaffene Anklage ist aber selbstbegrenzend, weil ein höher beladener Gegenstand seine Elektronen weniger leicht aufgibt.

Mondstaub

Das Licht von der Sonne, die Mondstaub schlägt, veranlasst es, beladen durch die fotoelektrische Wirkung zu werden. Der beladene Staub treibt dann sich zurück und hebt die Oberfläche des Monds durch die elektrostatische Levitation ab. Das äußert sich fast wie eine "Atmosphäre von Staub" sichtbar als ein dünner Dunst und das Verschmieren von entfernten Eigenschaften, und sichtbar als ein dunkles Glühen nachdem ist die Sonne untergegangen. Das wurde zuerst durch die Landvermesser-Programm-Untersuchungen in den 1960er Jahren fotografiert. Es wird gedacht, dass die kleinsten Partikeln bis zu Kilometern hoch zurückgetrieben werden, und dass die Partikel-Bewegung in "Brunnen", wie sie stürmen und sich entladen.

Nachtvisionsgeräte

Fotonen, die einen dünnen Film des alkalischen Metall- oder Halbleiter-Materials wie Gallium arsenide in einer Bildtube des intensivierenden Wortes schlagen, verursachen die Ausweisung von Photoelektronen wegen der fotoelektrischen Wirkung. Diese werden durch ein elektrostatisches Feld beschleunigt, wo sie schlagen, dass ein Phosphor Schirm angestrichen hat, die Elektronen zurück in Fotonen umwandelnd. Die Erhöhung des Signals wird entweder durch die Beschleunigung der Elektronen oder durch das Steigern der Zahl von Elektronen durch Sekundäremissionen, solcher als mit einem Mikrokanalteller erreicht. Manchmal wird eine Kombination von beiden Methoden verwendet. Zusätzliche kinetische Energie ist erforderlich, ein Elektron aus dem Leitungsband und ins Vakuumniveau zu bewegen. Das ist als die Elektronsympathie der Photokathode bekannt und ist eine andere Barriere für die Photoemission außer dem verbotenen Band, das durch das Band-Lücke-Modell erklärt ist. Einige Materialien wie Gallium Arsenide haben eine wirksame Elektronsympathie, die unter dem Niveau des Leitungsbandes ist. In diesen Materialien sind Elektronen, die sich zum Leitungsband bewegen, die ganze genügend Energie, vom Material und als solcher ausgestrahlt zu werden, der Film, der Fotonen absorbiert, kann ziemlich dick sein. Diese Materialien sind als negative Elektronsympathie-Materialien bekannt.

Böse Abteilung

Die fotoelektrische Wirkung ist ein Wechselwirkungsmechanismus zwischen Fotonen und Atomen. Es ist eine von 12 theoretisch möglichen Wechselwirkungen.

An den hohen Foton-Energien, die mit der Elektronrest-Energie dessen vergleichbar sind, kann Compton, der sich ein anderer Prozess zerstreut, stattfinden. Über zweimal dem kann Paar-Produktion stattfinden. Compton, der sich zerstreut, und Paar-Produktion sind ein Beispiel von zwei anderen konkurrierenden Mechanismen.

Tatsächlich, selbst wenn die fotoelektrische Wirkung die begünstigte Reaktion für eine besondere Wechselwirkung des bestimmten Elektrons des einzelnen Fotons ist, ist das Ergebnis auch statistischen Prozessen unterworfen und wird nicht versichert, obgleich das Foton sicher verschwunden ist und ein bestimmtes Elektron (gewöhnlich K oder L-Schale-Elektronen am Kern-(Gammastrahl) Energien) aufgeregt gewesen ist. Die Wahrscheinlichkeit des fotoelektrischen Wirkungsauftretens wird durch die böse Abteilung der Wechselwirkung, σ gemessen. Wie man gefunden hat, ist das eine Funktion der Atomnummer des Zielatoms und der Foton-Energie gewesen. Durch eine grobe Annäherung, für Foton-Energien über der höchsten Atombindungsenergie, wird gegeben:

Hier ist Z Atomnummer, und n ist eine Zahl, die sich zwischen 4 und 5 ändert. (An niedrigeren Foton-Energien erscheint eine charakteristische Struktur mit Rändern, K Rand, L Ränder, M Ränder, usw.) Die offensichtliche Interpretation folgt dem die fotoelektrische Wirkung nimmt schnell in der Bedeutung im Gammastrahl-Gebiet des Spektrums mit der zunehmenden Foton-Energie ab, und dass fotoelektrische Wirkung steil mit der Atomnummer zunimmt. Die Folgeerscheinung ist, dass hohe-Z Materialien gute Gammastrahl-Schilder machen, der der Hauptgrund ist, die führen (Z = 82), ist ein bevorzugtes und allgegenwärtiges Gammastrahlungsschild.

Siehe auch

Elektronik:

• Photostrom
• Photovermehrer
• Sonnenzelle
• Sonnenmacht
• Wandler
• Wirkung von Photovoltaic
• Anomale photovoltaic Wirkung
• Wirkung von Dember
• Photo-Dember

Physik:

• Photomagnetische Wirkung
• Atom
• Korona-Entladung
• Experiment des doppelten Schlitzes
• Elektron
• Gammastrahl
• Ionosphäre
• Nobelpreis in der Physik
• Optisches Phänomen
• Photoelektronspektroskopie
• Foton
• Foton-Triebkräfte im doppelten Schlitz experimentieren
• Foton-Polarisation
• Das Gesetz von Planck der schwarzen Körperradiation
• Quant-Mechanik
• Strahlungsenergie
• Dualität der Welle-Partikel

Leute:

• Albert Einstein
• Hertz von Heinrich
• Ernest Lawrence
• Robert Millikan
• Max Planck
• Aleksandr Stoletov
• J. J. Thomson
• Georgi Nadjakov
• Phillip Lenard

Listen:

• Liste von Elektronik-Themen
• Liste von optischen Themen
• Liste von Physik-Themen
• Wissenschaftliche Methode-Liste
• Liste von Welle-Themen
• Zeitachse der Mechanik und Physik
• Zeitachse von Sonnenzellen

Links

• Kirchenschiff, R., "Dualität der Welle-Partikel". HyperPhysics.
• "Fotoelektrische Wirkung". Physik 2000. Universität Colorados, Felsblocks, Colorado.
• ACEPT W3 Group, "die fotoelektrische Wirkung". Abteilung von Physik und Astronomie, Arizoner staatlicher Universität, Tempe, Arizona
• Haberkern, Thomas und N Deepak "Körner der Mystik: Quant-Physik für den Laien". Einstein Demystifies Photoelectric Effect, Kapitel 3.
• Abteilung der Physik, "Die Fotoelektrische Wirkung". Physik 320 Laboratorium, Universität von Davidson, Davidson.
• Fowler, Michael, "Die Fotoelektrische Wirkung". Physik 252, Universität von Virginia.

Applets

• "Fotoelektrische Wirkung". Die Physik-Ausbildungstechnologie (PhET) Projekt. (Java)
• Fendt, Walter, "die fotoelektrische Wirkung". (Java)
• "Applet: Foto-Wirkung". Open Source das verteilte Lernen zufriedenen Managements und Bewertungssystems. (Java)