uabooks.top

Még húsz évvel ezelőtt az emberek többsége a „napelem" fogalmát az űrhajók energiaellátásával hozta kapcsolatba. Viszont 2016-ban a „földi" napelemek összteljesítménye már elérte a 100 GW-ot, ami 10-szer nagyobb Ukrajna összes atomerőművének összteljesítményénél. A következőkben megtudhatjátok, hogyan vezetett egy tisztán tudományos felfedezés ezeknek a perspektivikus áramforrásoknak a létrehozásához.

Mi a fotoeffektus, és hogyan figyelhető meg?

Fotoeffektusnak (fényelektromos hatásnak) nevezzük a fény és az anyagok kölcsönhatásának elektronok kibocsátásával járó jelenségét.

Megkülönböztetünk külső fényelektromos hatást, amikor a fényelektronok a testből annak felületén át lépnek ki, és belső fényelektromos hatást, amelynek során az atomból és molekulákból a fény hatására „kiszakított” elektronok az anyag belsejében maradnak.

A külső' fényelektromos hatás megfigyelhető' egy olyan elektrométerrel, amelyhez cinklemezt szerelünk (34.1. a ábra). Ha a lemezt negatívan töltik fel, majd ultraibolya sugárzásnak teszik ki, az elekt-rométer nagyon hamar kisül. A lemez pozitív töltése esetén ez nem figyelhető' meg. Ez azzal magyarázható, hogy az ultraibolya sugárzás hatására a lemez elektronokat bocsát ki (34.1. b ábra). Ha negatívan van feltöltve, az elektronok eltaszítódnak a lemeztől és az elektrométer kisül.

Miért nem változik az elektrométer állása, ha a lemez pozitívan van feltöltve?

A fényelektromos hatás törvényei

A külső' fényelektromos hatást 1887-ben Heinrich Hertz német fizikus fedezte fel, majd részletesebben Alekszandr Grigorovics Sztoletov (1839-1896) orosz tudós tanulmányozta az 1888-1890-es években. A fényelektromos hatás tanulmányozására Sztoletov a 34.2. ábrán látható berendezést használta fel. A légritkított doboz belsejében két elektród található (A anód és K katód), amelyeket egyenáramú áramforrásra kapcsoltak.

A kvarcüvegen keresztül behatoló fénynyaláb hatására a K katód elektronokat bocsát ki. Az elektromos térben a kátédtól az anód felé haladva az elektronok fényáramot hoznak létre, amelynek eró'ssége mikroampermérő' segítségével mérhető'. Ha a P potenciaméter segítségével változtatják a feszültséget az elektródokon, akkor a fényáram eró'ssége szintén változik (34.3. ábra).

A 34.3. ábrán láthatjuk, hogy meghatározott feszültség esetén az árameró'sség elér egy maximális értéket, és utána már nem nó'. Ez csak akkor érhető'

el, ha a katód által kibocsátott összes elektron eléri az anódot.

A fényáram legnagyobb értékét a telítettségi áram I_t erősségének nevezzük;

Az elektródok közötti feszültség csökkentésével az áramerősség is csökken (lásd a 34,3. ábrát). Viszont amikor az elektródok közötti feszültség eléri a nullát, az áram akkor sem szűnik meg, hiszen a fotoelektronok kezdősebességgel rendelkeznek, ezért egyesek az elektromos tér megszűnése után is képesek elérni az anódot. Ennek a sebességnek a megmérésére az anódot az áramforrás negatív pólusával, a katódot pedig a pozitívval kötik össze. Elérve egy bizonyos U_e ellenfeszültséget, még a leggyorsabb elektronok sem érik el az anódot, tehát a fényáram megszűnik. A kinetikus energia tétele alapján az elektrosztatikus tér munkája egyenlő a fotoelektronok kinetikus energiaváltozásával

Külső fényelektromos hatás törvényei

Első törvény. A katód által egységnyi idő alatt kibocsátott fotonok száma egyenesen arányos a fény intenzitásával. Második törvény. A fotonok maximális kezdeti sebessége növekszik a beeső fény frekvenciájának a növekedésekor, és nem függ a fény intenzitásától.

Harmadik törvény. Minden anyag számára létezik egy Xyör maximális hullámhossz (a fényelektromos hatás vörös határa), amelynél elkezdődik a fényelektromos hatás. Az anyagok hosszabb hullámhosz-szú sugarakkal történő sugárzása nem vált ki fényelektromos hatást.

ahol m - az elektron tömege; u_max - a foton maximális kezdősebessége.

A kísérlet azt mutatja, hogy az ellenfeszültség (tehát a fotoelektronok kezdeti sebessége is) növekszik a hatódra eső fényhullám frekvenciájának a növekedésével, és csökken saját frekvenciája csökkenésekor; a fényhullám frekvenciájának meghatározott értékénél a fényelektromos hatás megszűnik (34.4. ábra).

Sorban változtatva a beeső fény intenzitását és frekvenciáját, valamint a katód anyagát, Sztoletov felállította a külső fényelektromos hatás három törvényét (lásd bal oldalon).

Miért kapott Einstein Nobel-díjat?

Ha a fényelektromos hatás első törvénye még megmagyarázható a fény klasszikus elektromágneses elméletével, a következő két törvény már ellentmond azoknak az elképzeléseknek, amelyek abban az időben léteztek. A „rejtély” megoldására

több mint 20 évre és két zseniális fizikusra — Max Planckra és Albert Einsteinre volt szükség. Einstein Plancknak a kvantumokról felállított elméletét használta fel a fényelektromos hatás összes törvényének a magyarázatára. Abban az időben már ismert volt, hogy minden fémnek megvan a saját A_ki] kilépési munkája (lásd a táblázatot).

Az A_kil kilépési munka a fémet jellemző fizikai mennyiség, ami egyenlő az elektron kilépési munkájához szükséges energiával.

Einstein feltételezte, hogy fotonok fémek általi elnyelésekor a foton energiája (Ep = hv) teljes egészében átadódik az elektronnak, ami egyrészt fedezi az A_kil kilépési munkát, másrészt - a kirepülő elektron f/kmax kinetikus energiáját.

Einstein képlete a külső fényelektromos hatásra:

Einstein képlete magyarázatot ad a fényelektromos hatás összes törvényére. A fényelektromos hatás jelenségének tisztázásáért Einstein megkapta a legmagasabb tudományos kitüntetést, a Nobel-díjat (1921).

Fényelektromos hatás törvényei	Magyarázatuk
1. A katód által időegység alatt kibocsátott fotonok száma egyenesen arányos a fény intenzitásával.	A fény nagyobb intenzitása nagyobb mennyiségű fotont jelent, amelyek az anyagok elektronjai által elnyelve elősegítik azok kibocsátását.
2. A fotonok maximális kezdeti sebessége növekszik a beeső fény frekvenciájának növekedésével és nem függ a fény intenzitásától.	Az elektron csak egy fotont nyelhet el (többet csakis óriási fényintenzitás mellett), ezért az elektron maximális kinetikus energiáját csak a foton energiája határozza meg, tehát a fényhullám frekvenciája független a fotonok számától.
3. Minden anyag számára	A fényhullám maximális hossza (minimális frekvenciája) a foton minimális energiájának
maximális hullámhossz (a fényelektromos hatás vörös határa), amelynél elkezdődik a fényelektromos hatás. Az anyagok hosszabb hullámhosszú sugarakkal való sugárzása nem vált ki fényelektromos hatást.
	hagyják el az anyagot. A
	feltétel meghatározza a fényelektromos hatás vörös határát.

Hol, és hogyan alkalmazzák a fényelektromos hatást?

A fényelektromos hatást a fényjeleket elektromos jelekké átalakító vagy közvetlenül a fényenergiát elektromos energiává átalakító berendezésekben hasznosítják. Az ilyen készülékek két nagy osztálya létezik: vákuum és félvezető fotocellák.

Vákuum fotocellák	Félvezető fotocellák
Működési elve a külső fényelektromos hatáson alapszik.	Működésük alapja a belső fényelektromos hatás.
A fotocellákat a különböző fényrelékben alkalmazzák (világítás ki- és bekapcsolására, az alkatrészek szín és forma szerinti szétválogatására, biztonsági rendszerekben) és mérőműszerekben (megvilágítás mérésére, impulzív optikai jelek teljesítményének meghatározására). Alább a vákuumos fotocella külalakja (a), felépítése (b) és jelölése (c) látható.	A félvezető fotocellákat az érzékeny foto-detektorokban használják, amelyek a gyenge fényjeleket elektromos jelekké alakítják; napelemekben, amelyek a fényenergiát elektromos energiává alakítják.
	A félvezető fotocella két különböző vezetőképességű - elektron (n-típusú félvezető) és lyukvezetésű (p-típusú félvezető) félvezetőből készült rétegből áll. Az n-rétegre eső fény elektronokat „üt ki” a kristályrácsból. A „felszabadított” elektronok a p-réteghez igyekeznek, ahol elfoglalják a szabad lyukakat. Ennek a folyamatnak az eredményeként a rétegek között potenciálkülönbség jön létre. A fénydetektorokat felhasználják a digitális fényképezőgépekben. Az ilyen gépekben film helyett félvezető lemez (képérzékelő) van, amely nagyszámú félvezető fotocellából tevődik össze. Mindegyik cella a fénynyalábból a maga kis részét érzékeli, átalakítja elektromos jellé, és a kijelző megfelelő részéhez továbbítja. A fényelektromos hatást az energetikában elsősorban a napelemekben alkalmazzák.
Felépítése a következő: vákuumot tartalmazó üvegburába fém gyűrűt - A anódot - rögzítettek; a búra belső felületét a kis 0 rés kivételével fényérzékeny fémréteg - K katód -borítja. A katód a résen át ráeső fény hatására elektronokat bocsát ki, amelyek az anód felé mozognak, és a fotocellát tartalmazó áramkör bezárul.

Gyakoroljuk a feladatok megoldását!

Feladat. A cinklemezt 300 nm hullámhosszú monokromatikus fénnyel világították meg. Mennyi lesz a lemez maximális potenciálja? A fényelektromos hatás vörös határa cink esetén = 332 nm.

A fizikai probléma elemzése. Miután a fényelektromos hatásnak köszönhetően a pozitív töltést kapott lemeznek az elektromos tere visszatartja az összes

elektront, megszűnik azok kibocsátása. Feltételezve, hogy a tér pontjainak potenciálja a lemeztói bizonyos távolságra nulla, ezért:

Ellenőrizzük a mértékegységeket, és kiszámítjuk a keresett mennyiséget:

Összegezés

Fényelektromos hatásnak nevezzük a fény és az anyagok kölcsönhatásának elektronok kibocsátásával járó jelenségét.

Kísérletileg meghatározták a fényelektromos hatás három törvényét:

1. A katód által egységnyi idő alatt kibocsátott fotoelektronok száma egyenesen arányos a fény intenzitásával.

2. A fotoelektronok maximális kezdeti sebessége növekszik a beeső' fény frekvenciájának a növekedésekor, és nem függ a fény intenzitásától.

3. Minden anyag számára létezik egy ^_ах maximális hullámhossz (a fényelektromos hatás vörös határa), amelynél elkezdődik a fényelektromos hatás. Az anyagok hosszabb hullámhosszú sugarakkal történő sugárzása nem vált ki fényelektromos hatást.

Einstein egyenlete magyarázatot nyújt a fényelektromos hatás összes törvényére:

A fényelektromos hatást a vezérlési és biztonsági rendszerek érzékelőiben használják fel. A belső fényelektromos hatás fő felhasználási területe a napelemipar.

Ellenőrző kérdések

1. Definiáljátok a fényelektromos hatás fogalmát! 2. Miben különbözik egymástól a külső és a belső fotoeffektus? Hol használják azokat? 3. Ismertessétek a fényelektromos hatás tanulmányozására szolgáló készüléket! Milyen fizikai meny-nyiségeket határoznak meg a kísérlet során? Hogyan adják meg az eredményét?

4. Milyen következtetés vonható le a fotoeffektus volt-amper jellemzőjéből? Milyen fizikai mennyiségek határozhatók meg a grafikon segítségével? 5. Ismertessétek a fotoeffektus törvényeit, és Einstein képletének a segítségével magyarázzátok el azokat!

34. gyakorlat

1. Milyen kísérlet vázlata látható az 1. ábrán? Ki végezte el elsőként? Milyen jelenségeket figyelt meg a tudós?

2. A 3,4 eV energiájú fotonok fotoeffektust okoztak a cézium felszínén. Mekkora a fotonok maximális kinetikus energiája?

3. A fotokatódra eső fotonok energiája háromszor nagyobb az elektronoknak a katód anyagából történő kilépési munkájánál. Határozzátok meg a fotonok maximális kinetikus energiájának és a kilépési munkának az arányát!

4. Mekkora a fényelektromos hatás vörös határa a cézium esetén? Megfigyelhető-e fényelektromos hatás abban az esetben, ha a céziumot látható fénnyel világítják meg?

A 2, ábrán a fotoeffektus volt-amper jellemzője látható. Rajzoljátok le az adott fém volt-amper jellemzőjét: 1) ha növekszik a beeső sugárzás frekvenciája; 2) ha csökken a beeső fénynyaláb!

Mekkora a 420 nm hullámhosszú lila fény által a kálium fotokatódból „kiszakított” fotoelektronok maximális kinetikus energiája?

Egy fém esetén a fényelektromos hatás vörös határa 600 nm hullámhossznak felel meg. Mekkora a fotonok kiszakítását okozó sugárzás frekvenciája, ha a kinetikus energiája háromszorosa a kilépési munkának?

8. Határozzátok meg a fény frekvenciáját, ha a fény által a fém felszínéről „kiszakított” elektronokat a 2,0 V értékű feszültség teljes egészében feltartja! A fotoeffektus ebben a fémben a beeső fény 6,0 · 10¹⁴ Hz frekvenciától kezdődik.

9. Az ellenfeszültség és a beeső fény frekvenciája közötti összefüggés grafikonjából (3. ábra) határozzátok meg a Planck-állandó értékét!

10. A napelemek napjaink legperspektivikusabb energiaforrásai. Tudjátok meg, mely országokban fejlődik legnagyobb ütemben az energetika ezen ága! Milyen kilátásai vannak a fejlődésre Ukrajnában?

Naperőműveket tervező, szerelő és kiszolgáló szakember

Húsz évvel ezelőtt az alternatív energiaforrások felhasználására úgy tekintettek, mint egy szörnyszülöttre. Napjainkban vannak olyan országok, ahol az alternatív forrásokból, elsősorban napelemekkel előállított elektromos energia részaránya meghaladja az 50%-ot. És ez a folyamat tovább fejlődik. Ezért a naperőműveket tervező, szerelő és kiszolgáló szakemberé a jövő szakmája.

 

 

Fizika tankönyv 11. osztályosok szerzők Dovgy, Baryakhtar, Loktev