Термическое излучение, фотоэлектрический эффект, электронно-лучевая трубка и фотоэлемент

| 1 октября, 2021 | Физика

Любой металл содержит положительные ионы и свободные электроны, которые могут перемещаться внутри металла, но не могут покинуть его из-за сил притяжения поверхности, которые могут быть представлены поверхностным потенциальным барьером. Некоторые из этих электронов могут ускользнуть, если дать достаточно энергии в образуют тепло и преодолевают силы притяжения на поверхности.

Это идея катодных лучей (ЭЛТ), которые используются в телевизорах, компьютерных мониторах и фотоэлементах, поверхностный потенциальный барьер — это сила притяжения, которая притягивает электроны изнутри и предотвращает их освобождение от поверхности металла.

Электронно-лучевая трубка

Электронно-лучевая трубка используется в телевизионных и компьютерных мониторах. Она зависит от испускания электронов с поверхности металла при нагревании (термоэлектрический эффект).

Структура и метод работы

Трубка состоит из металлической поверхности, называемой катодом.Катод нагревается нитью накала, электроны испускаются из электронной пушки (E-пушка), из-за тепла некоторые электроны могут преодолевать силы притяжения на поверхности (потенциал поверхности барьер).

Эти электроны высвобождаются из металла, а затем улавливаются экраном, который подключен к положительному полюсу, называемому анодом, вызывая ток во внешней цепи. Когда электроны попадают на экран, они излучают свет, интенсивность которого меняется от точки к точке. точки на флуоресцентном экране в зависимости от интенсивности передаваемого электрического сигнала.

Энергия электронов (KE) определяется из соотношения: KE = ½ m e v² = e V

Энергия (Джоуль) = Энергия в электрон-вольт × заряд электрона.

Где: [(m e ) — масса электрона, (V) — средняя скорость электрона, (e) — заряд электрона, (V) — разность потенциалов между катодом и анодом]).

Интенсивность электронного луча можно контролировать, используя сетку на пути электронов, а также используя магнитные и электрические поля (пластины X, Y), чтобы направить пучок электронов, чтобы охватить точку экрана, точку, генерирующую изображение, Так называется растром, пока не будет завершен кадр.

Фотоэлектрическая ячейка

Он используется для преобразования световой энергии в электрическую, как в калькуляторах, открытии и закрытии дверей и некоторых инструкциях. Это зависит от испускания электронов из-за падения света на металлическую поверхность (фотоэлектрический эффект).

Фотоэлемент сек СТРУКТУРА

  1. Фотоэлемент состоит из металлической поверхности, которая называется катодом. Этот провод называется анодом, чтобы не скрывать свет, падающий на катод.
  2. Когда свет падает на металлическую поверхность, некоторым электронам требуется достаточно энергии для выхода.
  3. Эти электроны захватываются анодом, который вызывает ток во внешней цепи.

Наблюдение:

  1. Эмиссия электронов (называемых фотоэлектронами) зависит от частоты падающего света, а не от интенсивности света, так что эти электроны не будут испускаться до тех пор, пока частота падающего света не станет больше или равна определенному значению, которое называется критическим значением (ν c), однако это интенсивность.
  2. Если частота падающей световой волны равна или больше ν c, значит, интенсивность фотоэлектрического тока (количество электронов) увеличивается за счет увеличения интенсивности падающего света для увеличения количества падающих фотонов на единицу площади поверхность, поэтому количество электронов, высвобождающихся с поверхности, увеличивается.
  3. Скорость и кинетическая энергия испускаемых электронов зависят от частоты падающего света, а не от его интенсивности.
  4. Эмиссия электронов происходит мгновенно, пока ν> ν c. Электронам не нужно время для сбора энергии, даже если интенсивность света низкая.

Классическая теория не смогла объяснить фотоэлектрическое явление, потому что на основе классических постулатов

  1. Эмиссия электронов (фотоэлектронов) зависит от интенсивности падающей волны независимо от ее частоты.
  2. Кинетическая энергия (или скорость) испускаемых электронов увеличивается с увеличением интенсивности падающего излучения.
  3. Даже в случае низкой интенсивности света предоставление достаточного времени должно дать некоторым электронам достаточно энергии для высвобождения, независимо от частоты падающего света.

Объяснение Эйнштейна

Эйнштейн дал интерпретацию всему этому, которая привела его к Нобелевской премии по физике в 1921 году. Он объяснил фотоэлектрическое явление следующим образом: для высвобождения поверхностных электронов требуется определенное количество энергии, называемое работой выхода (E w ).

Для каждого металла существует работа выхода (E w ), если падающий фотон имеет энергию (h ν), которая меньше, чем работа выхода (E w ) металлической поверхности, электрон вообще не будет испускаться, независимо от того, насколько интенсивным может быть свет и мгновенное излучение.

Если падающий фотон имеет энергию (h ν), которая равна работе выхода (E w ) металлической поверхности, электрон едва ли будет освобожден без какой-либо энергии, в этом случае частота фотона равна частоте критическая частота (ν c ).

E w  = h ν c = hc / λ c

Если падающий фотон имеет энергию (hν), превышающую работу выхода (E w ) металлической поверхности, электрон освободится, и разность энергий (h ν — E w ) переносится электронами в виде кинетической энергии и он движется быстрее.

Фотоэлектрические электроны — это электроны, испускаемые с металлической поверхности из-за падения света с подходящей частотой. Работа выхода (E w ) — это минимальная энергия, необходимая для освобождения электрона от металлической поверхности без получения кинетической энергии.

Когда работа выхода металлического цинка = 6,89 × 10 −19 Дж, Это означает, что минимальная энергия, необходимая для высвобождения электрона с поверхности металлического цинка без получения кинетической энергии = 6,89 × 10 −19 Дж.

Критическая частота металла (ν c ) — это минимальная частота света, падающего на металлическую поверхность, чтобы высвободить электрон без получения кинетической энергии.

Когда критическая частота поверхности = 4,8 × 10 14 Гц, Это означает, что минимальная частота света, падающего на металлическую поверхность, чтобы высвободить электрон без получения кинетической энергии = 4,8 × 10 14 Гц.

Фотоэлектрическое явление — это испускание электронов с металлической поверхности из-за падения света с подходящей частотой.

Факторы, влияющие на работу выхода (E w ) металлической поверхности:

  1. Только тип материала.
  2. Это не зависит от интенсивности света, времени воздействия или разности потенциалов между анодом и катодом.

Связь фототока и силы света

Если частота падающего фотона меньше критической частоты поверхности, фототок не испускается, даже если интенсивность света или время падения света увеличиваются, ν <ν c .

Если частота фотонов падающего света больше критической частоты поверхности, интенсивность фототока увеличивается за счет увеличения интенсивности света (увеличения числа фотонов), ν> ν c .

Связь между кинетической энергией электронов, испускаемых металлической поверхностью, и частотой падающего света:

Энергия падающего фотона = работа выхода металлической поверхности + кинетическая энергия испускаемых электронов.

E = E w + KE

h ν = h ν c + ½ мв².  Это уравнение Эйнштейна для фотоэлектрического явления.

Электрон, который более связан, требует больше энергии, чем работа выхода, чтобы уйти, в то время как электрон на поверхности нуждается в энергии, равной работе выхода, чтобы высвободиться.