Créer un effet photo externe
Lois de l'effet photoélectrique externe
1. Loi de Stoletov : à composition spectrale constante de la lumière incidente sur la photocathode, le photocourant de saturation est proportionnel à l'énergie d'éclairement de la cathode :
I_n~E_e et n_(\rm cek)~E_e
1. Pour une photocathode donnée, la vitesse initiale maximale des photoélectrons dépend de la fréquence de la lumière et ne dépend pas de son intensité.
2. Pour chaque photocathode, il existe une limite rouge de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire la fréquence lumineuse minimale \nu_0 à laquelle l'effet photoélectrique externe est possible.
Effet photo- il s'agit de l'émission d'électrons par une substance sous l'influence de la lumière (et, d'une manière générale, de tout rayonnement électromagnétique). Dans les substances condensées (solides et liquides), il existe un effet photoélectrique externe et interne.
Photoeffet externe (émission photoélectronique) est l'émission d'électrons par une substance sous l'influence d'un rayonnement électromagnétique. Les électrons émis par une substance en raison de l'effet photoélectrique externe sont appelés photoélectrons, et le courant électrique généré par eux lors d'un mouvement ordonné dans un champ électrique externe est appelé photocourant.
Énergie quantique
Pour toutes les ondes mécaniques classiques, le principal paramètre qui détermine l’énergie de l’onde est la fréquence. Dans le cas de la lumière, la fréquence détermine la couleur du rayonnement optique, allant du rouge au violet. En étudiant le phénomène de l'effet photoélectrique, c'est-à-dire l'élimination des électrons d'une fréquence métallique par la lumière, il a été découvert que l'énergie des électrons assommés dépend uniquement de la fréquence du rayonnement. Même une lumière bleue faible fait sortir les électrons du métal, mais le projecteur jaune le plus puissant ne peut pas faire tomber un seul électron du même métal. L'intensité du rayonnement détermine le nombre d'électrons qui seront éjectés, mais seulement si la fréquence dépasse un certain seuil. Il s’est avéré que l’énergie d’une onde électromagnétique est fragmentée en parties appelées quanta.
L'énergie d'un quantum de rayonnement électromagnétique est fixe et égale à :
Où E- énergie de rayonnement quantique, énergie quantique, - constante de Planck = 6,626176 × 10 −34 J s (environ 4 10 -15 eV s), ν - fréquence du rayonnement électromagnétique.
La fréquence du rayonnement quantique électromagnétique est calculée par la formule :
Où W Et W"- les énergies des niveaux supérieurs et inférieurs de la transition quantique.
Pendant l'effet photoélectrique, un quantum séparé interagit avec un électron individuel et si son énergie est insuffisante, il ne peut pas faire sortir l'électron du métal. Un débat de longue date sur la nature de la lumière, s'il s'agit d'une onde ou d'un flux de particules, a été résolu en faveur d'une sorte de synthèse. Certains phénomènes sont décrits par des équations d'ondes, d'autres par des idées sur les photons, quanta du rayonnement électromagnétique, introduites dans la circulation par deux physiciens allemands Max Planck et Albert Einstein.
En physique, l’énergie des quanta est généralement exprimée en électrons-volts. Il s'agit d'une unité de mesure d'énergie non systémique. Un électron-volt (1 eV) est égal à l'énergie qu'un électron acquiert lorsqu'il est accéléré par un champ électrique de 1 volt. C’est une très petite valeur, mais à l’échelle des atomes et des molécules, un électron-volt est une valeur tout à fait respectable.
La capacité du rayonnement à produire un certain effet sur la matière dépend directement de l'énergie des quanta. L’énergie des quanta micro-ondes est suffisante pour exciter les niveaux de rotation de l’état vibrationnel électronique fondamental de certaines molécules, par exemple l’eau. L’énergie d’une fraction d’électron-volt est suffisante pour exciter les niveaux vibrationnels de l’état fondamental des atomes et des molécules. Cela détermine, par exemple, l’absorption du rayonnement infrarouge dans l’atmosphère.
Les quanta de lumière visible ont une énergie de 2 à 3 eV, ce qui est suffisant pour rompre les liaisons chimiques et provoquer certaines réactions chimiques, par exemple celles qui se produisent dans les films photographiques et dans la rétine de l'œil. Les quanta ultraviolets peuvent briser des liaisons chimiques plus fortes et également ioniser les atomes en éliminant les électrons externes. Cela rend le rayonnement ultraviolet dangereux pour la vie. Le rayonnement X peut dépouiller les atomes d’électrons de leur enveloppe interne et également exciter des vibrations au sein des noyaux atomiques. Le rayonnement gamma est capable de détruire les noyaux atomiques, et les rayons gamma les plus énergétiques pénètrent même dans la structure des particules élémentaires telles que les protons et les neutrons.
Fonction de travail- la différence entre l'énergie minimale (généralement mesurée en électrons-volts), qui doit être communiquée à un électron pour son retrait « direct » du volume d'un solide, et l'énergie de Fermi. Ici, « immédiateté » signifie qu'un électron est retiré du solide à travers une surface donnée et se déplace vers un point situé suffisamment loin de la surface à l'échelle atomique (pour que l'électron traverse toute la double couche), mais proche. suffisant par rapport aux dimensions des faces macroscopiques du cristal. Dans ce cas, le travail supplémentaire qui doit être consacré à la lutte contre les champs externes résultant de la redistribution des charges de surface est négligé. Ainsi, le travail de sortie pour la même substance est différent pour différentes orientations cristallographiques de la surface.
Lorsqu'un électron est éloigné à l'infini, son interaction avec les charges restant à l'intérieur du solide conduit à l'induction de charges de surface macroscopiques (lorsque l'on considère un échantillon semi-infini en électrostatique, cela s'appelle une « image de charge »). Lorsqu'un électron se déplace dans le champ d'une charge induite, un travail supplémentaire est effectué, qui est déterminé par la constante diélectrique de la substance, la géométrie de l'échantillon et les propriétés des autres surfaces. De ce fait, le travail total effectué pour déplacer un électron de n'importe quel point de l'échantillon vers n'importe quel autre point (y compris le point de l'infini) ne dépend pas de la trajectoire du mouvement, c'est-à-dire de la surface à travers laquelle l'électron a été retiré. . Par conséquent, en physique du solide, ce travail n’est pas pris en compte et n’est pas inclus dans la fonction de travail.
De nombreux expérimentateurs ont établi les principes de base suivants de l'effet photoélectrique :
1. L'énergie cinétique maximale des photoélectrons augmente linéairement avec l'augmentation de la fréquence lumineuse ν et ne dépend pas de son intensité.
2. Pour chaque substance, il existe un soi-disant bordure effet photo rouge , c'est-à-dire la fréquence la plus basse ν min à laquelle l'effet photoélectrique externe est encore possible.
3. Le nombre de photoélectrons émis par la lumière de la cathode en 1 s est directement proportionnel à l'intensité lumineuse.
4. L'effet photoélectrique est pratiquement sans inertie, le photocourant se produit instantanément après le début de l'éclairage de la cathode, à condition que la fréquence lumineuse ν > ν min.
Bordure « rouge » de l'effet photo- la fréquence minimale ou la longueur d'onde maximale de la lumière à laquelle l'effet photoélectrique externe est encore possible, c'est-à-dire que l'énergie cinétique initiale des photoélectrons est supérieure à zéro. La fréquence dépend uniquement du travail de sortie de l'électron :
où est le travail de sortie pour une photocathode spécifique, h est la constante de Planck, et Avec- vitesse de la lumière. Le travail de sortie dépend du matériau de la photocathode et de l'état de sa surface. L'émission de photoélectrons commence dès qu'une lumière de fréquence ou de longueur d'onde arrive sur la photocathode. Les équations d'Einstein(parfois le nom " Équations d'Einstein-Hilbert») - équations du champ gravitationnel dans la théorie générale de la relativité, reliant la métrique de l'espace-temps courbe aux propriétés de la matière qui le remplit. Le terme est également utilisé au singulier : « L'équation d'Einstein", puisqu'en notation tensorielle, il s'agit d'une équation, bien qu'en composantes, il s'agisse d'un système d'équations.
Les équations ressemblent à ceci :
où est le tenseur de Ricci, obtenu à partir du tenseur de courbure espace-temps en le convoluant sur une paire d'indices, R.- courbure scalaire, c'est-à-dire le tenseur de Ricci alambiqué, - tenseur métrique, - constante cosmologique, et est le tenseur énergie-impulsion de la matière, ( - pi, c- vitesse de la lumière dans le vide, g- Constante gravitationnelle de Newton). Puisque tous les tenseurs inclus dans les équations sont symétriques, alors dans l'espace-temps à quatre dimensions, ces équations sont équivalentes à 4·(4+1)/2=10 équations scalaires.
L'une des propriétés essentielles des équations d'Einstein est leur non-linéarité, ce qui rend impossible l'utilisation du principe de superposition pour les résoudre.
Aucune des lois énumérées de l'effet photoélectrique ne peut être expliquée dans le cadre de l'électrodynamique classique.
Ce phénomène a été pleinement expliqué dans la théorie d'Einstein.
Cette théorie est basée sur la nature quantique du rayonnement. Selon Einstein, le rayonnement apparaît non seulement sous la forme de portions distinctes d'énergie, comme l'a établi M. Planck, mais se propage également et est absorbé sous la forme de portions discrètes - les quanta gamma. (Compton a plus tard donné à ces caillots d'énergie le nom photons.)
Lorsqu'un rayonnement tombe sur la surface d'un conducteur, les photons sont absorbés par les électrons et leur transfèrent en même temps leur énergie.
La loi de conservation de l'énergie, écrite par Einstein pour l'effet photoélectrique, est l'affirmation selon laquelle l'énergie d'un photon acquis par un électron lui permet de quitter la surface du conducteur, accomplissant ainsi sa fonction de travail. Le reste de l'énergie est réalisé sous forme d'énergie cinétique de l'électron désormais libre.
"C'est immédiatement clair- écrit Einstein, - que la théorie quantique de la lumière apporte une explication à l'effet photoélectrique. Un faisceau de photons tombe sur une plaque métallique. L'interaction entre le rayonnement et la matière consiste ici en de nombreux processus élémentaires dans lesquels un photon frappe un atome et en expulse un électron... Une augmentation de l'intensité de la lumière, dans notre nouveau langage, signifie une augmentation du nombre d'incidents. photons. Dans ce cas, un plus grand nombre d’électrons seront arrachés de la plaque métallique… »
A. Einstein explique simplement la loi de Stoletov - la première loi de l'effet photoélectrique.
La présence de photocourant dans le circuit à tension anodique nulle peut désormais également être facilement expliquée.
Les photoélectrons quittant la surface métallique ont de l'énergie cinétique. Cette énergie est suffisante pour que les électrons atteignent l’anode et ferment ainsi le circuit.
Afin d'arrêter la circulation du courant dans le circuit, il est nécessaire d'appliquer une tension de blocage de freinage à la photocellule. Le courant disparaîtra lorsque
À mesure que la fréquence de la lumière incidente augmente, l’énergie des photons et l’énergie cinétique des photoélectrons augmenteront.
Désormais, pour ralentir ces électrons plus énergétiques, une tension de blocage plus élevée sera nécessaire.
C'est l'explication donnée par la deuxième loi de l'effet photoélectrique.
Passons à la troisième loi. Si vous réduisez la fréquence de la lumière incidente sur la photocathode, l'énergie des photons et l'énergie cinétique des photoélectrons diminueront.
À une certaine valeur de fréquence limite vk, l'énergie cinétique des photoélectrons deviendra nulle. Alors
Avec une nouvelle diminution de la fréquence, l'énergie des photons sera inférieure au travail d'extraction. En conséquence, l’émission d’électrons depuis la surface métallique n’aura pas lieu.
Pour de nombreux matériaux de photocathode, cette fréquence de coupure se situe dans la région rouge du spectre visible. D'où le nom de cette fréquence - la limite rouge de l'effet photoélectrique.
Et enfin, sur l'inertie de l'effet photoélectrique.
Les photoélectrons apparaissent au moment où l'éclairage cathodique est allumé, puisque l'absorption d'un photon par un électron se produit en un temps d'environ 1 ns = 10 -9 secondes.
Conclusion
L'histoire de la naissance de la mécanique quantique indique que cette nouvelle théorie physique a souvent fait son chemin contre la volonté des scientifiques.
Max Planck « laissez le génie sortir de la bouteille » en écrivant l'énergie des photons :
puis, pendant de nombreuses années, il a tenté de sauver l'électrodynamique classique, en limitant par tous les moyens la nature quantique du rayonnement.
L'idée de quantifier le rayonnement a été invariablement soutenue et développée par Einstein :
"Nous devons supposer que la lumière homogène est constituée de grains d'énergie - des "quanta de lumière", c'est-à-dire de petites portions d'énergie traversant l'espace vide à la vitesse de la lumière."
Max Planck s'exprime à nouveau contre un développement aussi révolutionnaire de la théorie quantique de la lumière :
« Il me semble qu'il faut abandonner l'hypothèse selon laquelle l'énergie de l'oscillateur doit nécessairement être un multiple de l'élément d'énergie, et accepter qu'au contraire, le phénomène d'absorption du rayonnement libre est un processus essentiellement continu. …”
De nombreux scientifiques de l’époque ont exprimé de sérieuses inquiétudes quant à la naissance de la théorie quantique.
Henri Poincaré :
« Jusqu’à présent, la physique n’a traité que de quantités continues, et c’est pourquoi l’utilisation d’équations différentielles, qui constituent la base de la physique théorique classique, était légitime. L’introduction du quantique ne remet-elle pas en cause la légalité de l’utilisation des équations différentielles ?.. »
Sommerfeld :
"Je pense que l'hypothèse des quanta d'émission devrait être considérée comme une forme d'explication plutôt que comme une réalité physique."
Cependant, de nouvelles preuves expérimentales irréfutables de la théorie corpusculaire des radiations apparurent bientôt.
Nous discuterons de l'un d'eux - l'effet Compton - dans la prochaine conférence.
Résumé de la conférence 10.
1. Rayonnement du corps noir.
Loi de Stefan-Boltzmann :
Loi de déplacement de Wien :
2. Énergie photonique :
ÉNERGIE QUANTIQUE
Fondateur Roman Zolotoy
Qu’est-ce que l’énergie quantique ?
Il s'agit d'une force vitale invisible mais omniprésente que l'humanité connaît depuis l'Antiquité et appelée par différents noms : en sanskrit - prana, dans les enseignements spirituels chinois - énergie Qi, mais nous en parlons simplement comme d'énergie vitale ou subtile. Grâce à la guérison quantique, la personne n'est pas traitée, mais l'énergie est qualitativement guérie, restaurant ainsi le corps subtil et physique.
Cette énergie possède des champs quantiques surpuissants, elle aide à faire face à tous les problèmes de la colonne vertébrale : mauvaise posture, scoliose, lordose, cyphose, ostéoporose, ostéomyélite, ainsi que douleurs articulaires, etc.
Prix : 0 3 500 roubles.
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Qu’est-ce que l’énergie quantique ?
Il s'agit d'une force vitale invisible mais omniprésente que l'humanité connaît depuis l'Antiquité et appelée par différents noms : en sanskrit - prana, dans les enseignements spirituels chinois - énergie Qi, mais nous en parlons simplement comme d'énergie vitale ou subtile.
Pour le dire très simplement, cela ressemble à ceci : le début de tout est la pure conscience (esprit cosmique). Ses vibrations créent un « point zéro » ou champ quantique. Des vagues en émergent. Lorsqu’elles se chevauchent, des particules subatomiques se forment. À partir d'eux se forment des atomes, des atomes - des molécules, des molécules - tout ce qui est vivant et non vivant. Le réseau quantique qui imprègne toute matière nous connecte énergétiquement à la pure conscience.
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quantum d'énergie- La quantité d'énergie donnée ou reçue par tout système lors de sa transition quantique. [Collection de termes recommandés. Numéro 79. Optique physique. Académie des sciences de l'URSS. Comité de terminologie scientifique et technique. 1970] Thèmes : physique... Guide du traducteur technique
quantum d'énergie- Energijos kvantas statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Mažiausias energijos kiekis, kurį išpinduliuoja arba sugeria fizikinė mikrosistema, peršokdama iš vieno energijos lygmens į kitą. Énergies kvantas išreiškiamas… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas
quantum d'énergie- energijos kvantas statusas T sritis fizika atitikmenys : engl. quantum d'énergie vok. Energiequant, n rus. quantum d'énergie, m pranc. ergon, m; quantum d'énergie, m ... Fizikos terminų žodynas
La quantité finale d’énergie peut être donnée ou absorbée par l’essaim. microsystème dans le département l'acte de changer son état. Par exemple, les états stationnaires d'un atome correspondent à la définition. une série de valeurs d'énergie discrètes (quantification de l'énergie atomique).... ... Grand dictionnaire polytechnique encyclopédique
Quantum- (du latin quantum combien) quelque chose de mesurable numériquement ; Un certain montant. Le quantum d'énergie est une quantité finie d'énergie qui est émise ou absorbée par tout microsystème (nucléaire, atomique, moléculaire) de manière élémentaire (unique, ... ... Les débuts des sciences naturelles modernes
Le quantum (du latin quantum « combien ») est une partie indivisible de toute quantité en physique. Le concept est basé sur l'idée de la mécanique quantique selon laquelle certaines grandeurs physiques ne peuvent prendre que certaines valeurs (on dit que... ... Wikipedia
KVANT, hein, mari. En physique : la plus petite quantité d'énergie dégagée ou absorbée par une grandeur physique dans son état non stationnaire. K. énergie. K. lumière. | adj. quantique, oh, oh. Théorie des quanta. Electronique quantique. K. générateur.… … Dictionnaire explicatif d'Ojegov
- [Allemand] Quant Dictionnaire des mots étrangers de la langue russe
UN; m.[de lat. quantique combien] Phys. 1. La plus petite quantité possible par laquelle une quantité de nature discrète (action, énergie, élan, etc.) peut changer. K. énergie lumineuse. K. action (une des principales constantes... Dictionnaire encyclopédique
M. La plus petite quantité possible d'énergie qui peut être absorbée ou libérée par un système moléculaire, atomique ou nucléaire lors d'un acte distinct de changement d'état. Dictionnaire explicatif d'Éphraïm. T.F. Efremova. 2000... Dictionnaire explicatif moderne de la langue russe par Efremova
Ce terme a d'autres significations, voir Quantique (significations). Module de la station spatiale MIR KVANT ... Wikipédia
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Certaines personnes pensent qu'un quantum n'est qu'une certaine unité de la plus petite taille, qui n'a aucun rapport avec la vie réelle. Mais les choses sont loin d’être ainsi. Ce n’est pas seulement l’apanage des scientifiques. La théorie quantique est importante pour tous, car elle aide à élargir leur conscience, en repoussant considérablement les limites de leur vision du monde et en approfondissant ses profondeurs. Il étudie à la fois le micromonde et le monde ordinaire qui nous entoure, qu'il parvient miraculeusement à regarder d'une manière complètement différente.
Concept
Le quantique n’est pas quelque chose d’insignifiant qui concerne uniquement le microcosme. Cela aide à décrire la réalité environnante en fonction de ses propres états.
Ce ne sont pas seulement la matière et les champs physiques qui constituent la base de notre monde. Ils ne sont qu’une particule de la vaste réalité quantique. Par conséquent, à l’avenir, il faudra comprendre toute la profondeur et l’étendue de cette explication apparemment simple.
Un quantum est une unité fondamentale indivisible d’énergie (quantum traduit du latin signifie « combien », « quantité ») qui est absorbée ou libérée par une quantité physique.
Autour de cette idée, toute une direction s'est développée, appelée physique quantique. Ils en parlent comme de la science du futur.
Physique quantique et classique
Pour la plupart, au début, la nouvelle orientation semblera absurde et illogique. Mais après une étude approfondie, les concepts acquièrent un sens global. La physique quantique peut facilement expliquer ce que la physique classique ne peut pas expliquer.
Dans ce dernier cas, on pense que la nature reste inchangée quelle que soit la manière dont elle est décrite. Mais en physique quantique, ce n’est pas le cas. Elle repose sur le principe de superposition, qui n’en est pas la base. Selon lui, un quantum est une particule qui peut être simultanément dans l'un ou l'autre état, ainsi que dans leur somme. Il est donc impossible de calculer exactement où elle se trouvera à un moment donné. Seuls les calculs de probabilité sont possibles.
Il ne construit pas un corps physique, comme d’habitude, mais une distribution de probabilités qui évolue dans le temps.
En physique classique, il existe aussi des probabilités, mais seulement si le chercheur ne connaît pas les propriétés de l'objet. Dans la science quantique, il est toujours présent dans tous les cas.
En mécanique classique, toutes les valeurs de vitesse et d'énergie sont utilisées. Dans le nouveau - uniquement ceux qui correspondent à leur propre état. Ce sont ce qu’on appelle les valeurs spécifiques quantifiées.
Hypothèse de Max Planck
Un corps chauffé émet et absorbe de la lumière dans certaines parties, et non de manière continue. Les quantiques d’énergie sont les particules minimes dont nous parlons.
Chaque portion est directement proportionnelle à la fréquence du rayonnement. Le coefficient de proportionnalité doit son nom à son découvreur, la constante de Planck (bien qu'Einstein y ait également eu un certain lien). Il est égal à 6,6265*10(-34) J/s.
C'est l'hypothèse formulée par Max Planck en 1900, à partir de laquelle il a été possible de calculer la loi de répartition de l'énergie dans le spectre, qui correspondait bien aux données expérimentales. Ainsi, l'hypothèse quantique a été confirmée. C’est devenu une véritable révolution. De nombreux physiciens ont repris cette hypothèse et c’est ainsi que la science quantique a commencé à se développer.
et réalité quantique
Cette nouvelle direction n’intéressait pas seulement les théoriciens scientifiques. De nombreux phénomènes mystiques peuvent désormais être expliqués scientifiquement. Même si certains l’appellent « pseudoscience ».
Cependant, les personnes qui s’y intéressaient pouvaient repousser les limites de leur perception et voir ou ressentir l’au-delà.
Par exemple, il est devenu évident que le quantum de lumière est le transfert de l'énergie de l'Univers vers la conscience à travers le continuum espace-temps. Après tout, il s’agit d’un rayonnement de fréquence énergétique, également appelé symboles d’ADN du feu ou codes de lumière. Ils entrent sur la planète par un flux de fréquence énergétique. Sur le corps humain - à travers le système des chakras.
La conscience et la matière sont des fréquences énergétiques. Tous les sentiments, pensées et émotions génèrent des impulsions électriques qui forment le corps de lumière. Fondamentalement, la Terre présente des vibrations à très basse fréquence. Mais les personnes qui ont appris à recevoir l'énergie de l'Univers incluse dans le quantum de rayonnement sont des individus en développement spirituel qui forment leur corps de lumière à hautes fréquences. Ils peuvent non seulement se libérer des vibrations négatives qui dominent la planète, mais aussi nettoyer l’espace qui les entoure, aidant ainsi d’autres personnes à passer à un nouveau niveau de développement.