Foto-Elektrisch Effect: Uitleg En Toepassingen

{h1}

Het foto-elektrische effect verwijst naar wat er gebeurt wanneer elektronen worden uitgezonden door een materiaal dat elektromagnetische straling heeft geabsorbeerd.

Het foto-elektrische effect verwijst naar wat er gebeurt wanneer elektronen worden uitgezonden door een materiaal dat elektromagnetische straling heeft geabsorbeerd. Natuurkundige Albert Einstein was de eerste die het effect volledig beschreef en ontving een Nobelprijs voor zijn werk.

Wat is het foto-elektrische effect?

Licht met energie boven een bepaald punt kan worden gebruikt om elektronen los te kloppen, waardoor ze worden bevrijd van een solide metalen oppervlak, volgens Scientific American. Elk lichtdeeltje, een foton genaamd, botst met een elektron en gebruikt een deel van zijn energie om het elektron te verjagen. De rest van de fotonenergie wordt overgebracht naar de vrije negatieve lading, een foto-elektron genoemd.

Begrijpen hoe dit werkt heeft een revolutie teweeggebracht in de moderne natuurkunde. Toepassingen van het foto-elektrische effect brachten ons "elektrische ogen" deuropeners, lichtmeters gebruikt in fotografie, zonnepanelen en foto-statisch kopiëren.

Ontdekking

Vóór Einstein was het effect waargenomen door wetenschappers, maar ze waren verward door het gedrag omdat ze de aard van het licht niet helemaal begrepen. Aan het einde van de 19e eeuw bepaalden fysici James Clerk Maxwell in Schotland en Hendrik Lorentz in Nederland dat het licht zich als een golf zou gedragen. Dit werd bewezen door te zien hoe lichtgolven interferentie, diffractie en verstrooiing demonstreren, die voor alle soorten golven (inclusief golven in water) voorkomen.

Dus het argument van Einstein in 1905 dat licht zich ook als deeltjes kan gedragen, was revolutionair omdat het niet paste in de klassieke theorie van elektromagnetische straling. Andere wetenschappers hadden de theorie vóór hem gepostuleerd, maar Einstein was de eerste om volledig uit te leggen waarom het fenomeen zich voordeed - en de implicaties.

Heinrich Hertz uit Duitsland was bijvoorbeeld de eerste die het foto-elektrische effect zag, in 1887. Hij ontdekte dat als hij ultraviolet licht op metalen elektroden scheen, hij de spanning die nodig is om een ​​vonk achter de elektroden te laten bewegen, deed dalen, volgens de Engelse astronoom David Darling.

Toen in 1899, in Engeland, J.J. Thompson toonde aan dat ultraviolet licht op een metalen oppervlak de uitstoot van elektronen veroorzaakte. Een kwantitatieve maat voor het foto-elektrische effect kwam er in 1902, met werk van Philipp Lenard (een voormalige assistent van Hertz.) Het was duidelijk dat licht elektrische eigenschappen had, maar wat er aan de hand was, was onduidelijk.

Volgens Einstein bestaat het licht uit kleine pakketjes, eerst quanta en later fotonen genoemd. Hoe quanta zich gedragen onder het foto-elektrische effect kan worden begrepen door een gedachte-experiment. Stel je een marmer voor dat ronddraait in een put, die als een gebonden elektron zou zijn voor een atoom. Wanneer een foton binnenkomt, raakt het het marmer (of elektron), waardoor het genoeg energie krijgt om uit de put te ontsnappen. Dit verklaart het gedrag van licht opvallende metalen oppervlakken.

Terwijl Einstein, toen een jonge patentklerk in Zwitserland, het fenomeen in 1905 uitlegde, duurde het nog 16 jaar voordat de Nobelprijs voor zijn werk werd toegekend. Dit kwam nadat de Amerikaanse natuurkundige Robert Millikan niet alleen het werk had geverifieerd, maar ook een relatie had gevonden tussen een van de constanten van Einstein en de constante van Planck. Deze laatste constante beschrijft hoe deeltjes en golven zich gedragen in de atomaire wereld.

Verdere vroege theoretische studies over het foto-elektrische effect werden uitgevoerd door Arthur Compton in 1922 (die liet zien dat röntgenstralen ook als fotonen konden worden behandeld en de Nobelprijs in 1927 verdiende), evenals Ralph Howard Fowler in 1931 (die naar de relatie tussen metaaltemperaturen en foto-elektrische stromen.)

toepassingen

Hoewel de beschrijving van het foto-elektrische effect erg theoretisch klinkt, zijn er veel praktische toepassingen van zijn werk. Britannica beschrijft er een paar:

Fotocellen werden oorspronkelijk gebruikt om licht te detecteren, met behulp van een vacuümbuis met een kathode, om elektronen uit te zenden, en een anode om de resulterende stroom te verzamelen. Tegenwoordig zijn deze "fototubes" overgeschakeld naar op halfgeleiders gebaseerde fotodiodes die worden gebruikt in toepassingen zoals zonnecellen en vezeloptische telecommunicatie.

Fotomultiplicatorbuizen zijn een variatie op de fototube, maar ze hebben verschillende metalen platen die dynodes worden genoemd. Elektronen worden vrijgegeven nadat het licht de kathodes raakt. De elektronen vallen dan op de eerste dynode, die meer elektronen vrijgeeft die op de tweede dynode vallen, vervolgens op de derde, vierde, enzovoort. Elke dynode versterkt de stroom; na ongeveer 10 dynodes is de stroom sterk genoeg voor de fotomultipliers om zelfs enkele fotonen te detecteren. Voorbeelden hiervan worden gebruikt in spectroscopie (waarbij licht wordt gebroken in verschillende golflengten om bijvoorbeeld meer te weten te komen over de chemische composities van ster) en computergestuurde axiale tomografie (CAT) -scans die het lichaam onderzoeken.

Andere toepassingen van fotodiodes en fotomultipliers zijn onder meer:

  • beeldvormingstechnologie, waaronder (oudere) televisiecamerabuizen of beeldversterkers;
  • het bestuderen van nucleaire processen;
  • chemisch analyseren van materialen op basis van hun geëmitteerde elektronen;
  • het geven van theoretische informatie over hoe elektronen in atomen tussen verschillende energietoestanden overgaan.

Maar misschien was de belangrijkste toepassing van het foto-elektrische effect het begin van de kwantumrevolutie volgens

Wetenschappelijke Amerikaan. Het bracht fysici ertoe op een geheel nieuwe manier na te denken over de aard van het licht en de structuur van atomen.

Extra middelen

  • Natuurkunde Hypertextbook: foto-elektrisch effect
  • Khan Academy: foto-elektrisch effect

Video Supplement: Elektronvolt (definitie en toepassingen).


WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com