Valosähkötehosteiden määritelmä ja selitys

Valosähköinen vaikutus ilmenee, kun aine säteilee elektroneja altistumalla sähkömagneettiselle säteilylle, kuten esimerkiksi valon fotoneille. Tässä on tarkempi kuvaus siitä, mikä on valosähköinen vaikutus ja miten se toimii.

Valosähkövaikutusta tutkitaan osittain, koska se voi olla johdanto siihen aaltohiukkasten kaksinaisuus ja kvanttimekaniikka.

Kun pinta altistetaan riittävän energiselle sähkömagneettiselle energialle, valo absorboituu ja elektronit säteilytetään. Kynnystaajuus on erilainen eri materiaaleille. se on näkyvä valo alkalimetallien, melkein ultraviolettivalon muille metalleille ja äärimmäisen ultraviolettisäteilyn ei-metalleille. Valosähköinen vaikutus ilmenee fotoneilla, joiden energiat ovat muutamasta elektrovoltista yli 1 MeV: iin. Korkeilla fotonienergiailla, jotka ovat verrattavissa 511 keV: n elektronien lepoenergiaan, voi tapahtua Comptonin sirontaa, parintuotanto voi tapahtua yli 1 022 MeV: n energialähteillä.

Einstein ehdotti, että valo koostuisi kvanteista, joita kutsumme fotoneiksi. Hän ehdotti, että kussakin valokvantissa oleva energia oli yhtä suuri kuin taajuus kerrottuna vakiona (Planckin vakio) ja että fotonilla, jonka taajuus ylittää tietyn kynnyksen, olisi riittävästi energiaa yhden elektronin poistamiseksi, joka tuottaa fotoelektrisen vaikutus. Osoittautuu, että valoa ei tarvitse kvantisoida valosähkön selittämiseksi, mutta Jotkut oppikirjat sanovat edelleen, että fotoelektrinen vaikutus osoittaa hiukkasten luonteen valo.

Einsteinin tulkinta valosähkövaikutuksesta johtaa yhtälöihin, jotka ovat voimassa näkyvälle ja ultraviolettivaloa:

fotonienergia = energia, joka tarvitaan elektronin poistamiseen + emittoidun elektronin kineettinen energia

hν = W + E

missä
h on Planckin vakio
ν on tapahtuman taajuus fotoni
W on työfunktio, joka on vähimmäisenergia, joka tarvitaan elektronin poistamiseen tietyn metallin pinnalta: hν₀
E on maksimiarvo kineettinen energia poistettujen elektronien lukumäärä: 1/2 mv²
ν₀ on valosähkötehosteen kynnystaajuus
m on irrotetun elektronin loput massa
v on irrotetun elektronin nopeus

Elektronia ei vapauteta, jos sattuman fotonienergia on pienempi kuin työfunktio.

hakeminen Einsteinin erityinen suhteellisuusteoria, hiukkasen energian (E) ja momentin (p) välinen suhde on

E = [(kpl)² + (mc²)²]^(1/2)

missä m on hiukkasen loput massa ja c on valon nopeus tyhjiössä.

• Valoelektronien säteilynopeus on suoraan verrannollinen tulevan valon voimakkuuteen tietylle tulevan säteilyn ja metallin taajuudelle.
• Aika fotoelektronin esiintymisen ja säteilyn välillä on hyvin pieni, alle 10^–9 toinen.
• Tietyn metallin kohdalla on minimaalinen esiintyvän säteilyn taajuus, jonka alapuolella fotoelektrinen vaikutus ei esiinny, joten valosähköisiä ei voida lähettää (kynnystaajuus).
• Kynnystaajuuden yläpuolella emittoidun fotoelektronin suurin kineettinen energia riippuu tulevan säteilyn taajuudesta, mutta on riippumaton sen voimakkuudesta.
• Jos tuleva valo on lineaarisesti polarisoitunut, emittoituneiden elektronien suuntajakauma huippuu polarisaation suuntaan (sähkökentän suunta).

Kun valo ja aine ovat vuorovaikutuksessa, useat prosessit ovat mahdollisia tapahtuvan säteilyn energiasta riippuen. Valosähköinen vaikutus johtuu vähän energiaa kuluttavasta valosta. Keskimääräinen energia voi tuottaa Thomsonin sirontaa ja Comptonin sironta. Korkea energiavalo voi aiheuttaa parintuotannon.