광전 효과는 물리학에서 중요하고 마술적인 현상으로, 빛을 조사하면 특정 물질 내부의 전자가 광자에 의해 여기되어 전류, 즉 광전을 형성하게 됩니다. 광전 현상은 1887년 독일의 물리학자 헤르츠(Hertz)가 발견했고, 정확한 설명은 아인슈타인(Einstein)이 제안했습니다. 광전 효과에 대한 과학자들의 심층적인 연구는 양자 이론의 발전에 근본적인 역할을 했습니다. 영문명: Photoelectric effect1. 광전효과의 개요: 빛은 특정 물질에 조사되어 물질의 전기적 성질을 변화시킵니다. 이러한 광전변화 현상을 총칭하여 광전효과라 한다. 광전 효과는 빛을 조사할 때 금속 표면이 전자를 방출하는 효과입니다. 방출된 전자를 광전자라고 합니다. 빛의 파장이 특정 임계값보다 작은 경우에만 전자가 방출될 수 있는데, 즉 한계 파장이며, 이에 해당하는 빛의 주파수를 한계 주파수라고 합니다. 임계값은 금속 물질에 따라 달라지며, 방출되는 전자의 에너지는 빛의 파장에 따라 달라지며 빛의 파동성으로는 설명할 수 없는 빛의 강도와는 아무런 관련이 없습니다. 빛의 파동성, 즉 광전효과의 순간성과 모순되는 또 다른 점이 있는데, 파동이론에 따르면 입사되는 빛이 약하고 노출 시간이 길면 금속 속의 전자가 충분한 에너지를 축적하고 금속 표면 밖으로 날아갑니다. 그러나 사실은 빛의 밝기에 관계없이 빛의 주파수가 금속의 한계 주파수보다 높은 한 광자의 생성은 거의 즉각적이며 10의 음의 9제곱초를 넘지 않습니다. 올바른 설명은 빛이 파장과 관련하여 엄격하게 지정된 에너지 단위(예: 광자 또는 광양자)로 구성되어야 한다는 것입니다. 이 설명은 아인슈타인이 제안했습니다. 광전효과는 1887년 독일의 물리학자 헤르츠(Hertz)에 의해 발견되었으며, 빛을 조사할 때 물체 내 전자가 방출되는 현상을 광전효과라고 합니다. 광전 효과는 광전자 방출, 광전도 효과, 광기전 효과로 구분됩니다. 전자의 현상은 물체의 표면에서 발생하며 외부광전효과라고도 한다. 후자의 두 가지 현상은 물체 내부에서 발생하며 내부 광전 효과라고 합니다. 광전 효과 광전 효과에서는 전자의 방출 방향이 완전히 방향성이 있는 것은 아니며, 빛의 방향과 상관없이 대부분이 금속 표면에 수직으로 방출됩니다. 빛은 전자기파이지만 빛은 직교하는 전자기장입니다. 진폭은 매우 작아서 전자 방출 방향에 영향을 미치지 않습니다. 광전 효과의 임계 값은 금속 재료에 따라 다르며 방출되는 전자의 에너지는 빛의 파장에 따라 다릅니다. 이는 빛의 강도와는 아무런 관련이 없습니다. 이는 빛의 파동 특성으로는 설명할 수 없습니다. 빛의 파동성, 즉 광전효과의 순간성과 모순되는 또 다른 점이 있는데, 파동이론에 따르면 입사되는 빛이 약하고 노출 시간이 길면 금속 속의 전자가 충분한 에너지를 축적하고 금속 표면 밖으로 날아갑니다. 그러나 실제로 빛의 주파수가 높고 금속의 한계 주파수가 있는 한 빛의 밝기에 관계없이 광자의 생성은 거의 즉각적이며 10의 음의 9승을 넘지 않습니다. 올바른 설명은 빛이 파장과 관련하여 엄격하게 지정된 에너지 단위(예: 광자 또는 광양자)로 구성되어야 한다는 것입니다. 2. 광전 효과의 공식 아인슈타인의 방식으로 광전 효과를 정량화할 때 다음 공식을 사용하십시오: 광자 에너지 = 방출된 전자의 운동 에너지의 대수적 형태: h는 플랑크 상수입니다. ,
f는 입사 광자의 주파수,
는 일함수, 원자 결합에서 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지,
는 방출된 전자의 최대 에너지 운동 에너지,
f0는 광전 효과가 발생하는 임계 주파수,
m은 방출된 전자의 나머지 질량,
vm은 방출된 전자의 속도입니다.
참고: 광자의 에너지(hf)가 일함수(ψ)보다 크지 않으면 전자가 방출되지 않습니다. 일함수는 때때로 W로 표시됩니다. 이 공식이 관찰과 일치하지 않는 경우(즉, 전자가 방출되지 않거나 전자의 운동 에너지가 예상보다 작음) 시스템이 완전히 효율적이지 않고 일부 에너지가 열이나 복사로 손실되기 때문일 수 있습니다. 3. 광전효과에 관한 실험 아인슈타인 a. 음극(광전자를 방출하는 금속 물질)에서 방출되는 광전자의 수는 조사되는 광도에 비례합니다. 비. 물체에서 빠져나올 때 광전자의 초기 속도는 조사하는 빛의 주파수와 관련이 있으며 광도와는 아무런 관련이 없습니다.
즉, 광전자의 초기 운동 에너지는 조사하는 빛의 주파수에만 관련될 뿐 광도와는 아무런 관련이 없습니다. 기음. 물체를 비추는 빛의 주파수가 특정 값 이상이어야 물체가 광전자를 방출할 수 있습니다. 이 주파수를 한계 주파수(또는 차단 주파수)라고 하며 해당 파장을 λ로 합니다. 이를 적색한계파장이라고 합니다. 다양한 물질의 제한 주파수는 해당 적색 한계 파장 λ와 다릅니다. 여러 금속 재료의 제한 파장
일부 금속의 제한 파장(옹스트롬):
세슘 나트륨 아연은 백금
6520 5400 3720 2600 1960 d. 광전류 생성 과정은 매우 빠르며 일반적으로 광 조사가 중지되면 광전류가 즉시 중지되는 것으로 알려져 있습니다. 4. 광전 효과의 설명 - 아인슈타인의 이론에 따르면 광자가 물체에 부딪히면 그 에너지가 물체에 흡수된 후 모든 전자가 흡수됩니다. 전자가 광자의 에너지 hυ를 흡수하면 에너지가 증가하므로 에너지를 축적할 필요가 없습니다. 전자가 흡수한 에너지 hυ가 충분히 크면 원자에서 벗어나는 데 필요한 에너지를 극복할 수 있습니다. 이온화 에너지) I와 그것이 물체 표면을 떠날 때, 전자는 물체 표면에서 빠져나와 광전자가 될 수 있습니다. 이것은 아인슈타인 방정식 hυ=( 1/2)mv^2 I W. 식 (1)에서 /2)mv^2는 금속 내부에 많은 수의 자유전자가 있는 광전자의 초기 운동 에너지입니다. 는 금속의 특성이므로 금속의 경우 I 항은 생략할 수 있으며, 아인슈타인의 방정식은 hυ=(1 /2)mv^2 W 이면 전자는 금속 표면에서 빠져나올 수 없습니다. 특정 금속에서 광전 효과를 생성하는 최소 광 주파수(한계 주파수)는 해당 한계 파장 hυ0=W에 의해 결정됩니다. 광도가 증가하면 광자 수가 증가합니다. 5. 광전 효과의 파생물 (1) 비정상적인 광기전력 효과:
광기전 효과에서는 광전압이 발생합니다. 일반적으로 Vg=Eg/e를 초과하지 않지만, 일부 박막 반도체는 강한 백색광을 조사할 때 Vg보다 훨씬 높은 광전압을 갖게 되는데, 이를 변칙적인 광기전력 효과라고 합니다(5000V의 광생성 전압이 관찰되었습니다). p>
1970년대에는 광강유전체의 변칙적인 광기전력 효과(APV)가 1000V~100000V의 전압을 생성할 수 있으며 결정의 자발 분극 방향에서만 나타난다는 사실이 발견되었습니다.
광생성 전압: V=(Jc/(σD △σl))l
(2) 베크렐 효과:
두 개의 동일한 전극을 결합하여 전극을 전해질에 담그고, 빛에 의해 조명되어 두 전극 사이에 전위차가 발생합니다.
(광합성을 모방하여 고효율 태양전지를 만드는 것이 가능합니다.) (3) 광자 끌어당김 효과:
전자-정공을 발생시키기에 광자 에너지가 부족한 레이저빔을 시료에 조사하면 시료의 양쪽 끝에서 빔 방향으로 전위차 VL이 생기고 그 크기는 광학적 세기에 비례한다. 이를 광자 끌어당김 효과라고 합니다. (4) 오제 효과(1925년 프랑스 오제)
고에너지 광자나 전자를 이용해 원자 내부층의 전자를 떼어내면서 동시에 일정량의 전자(오제 전자)를 생성하는 현상 에너지, 원자와 분자의 무게를 측정합니다. 고차 이온이 나타나는 현상을 오제 효과(Auger effect)라고 합니다.
응용 분야: 오거 전자 분광계는 표면 분석에 사용되며 다양한 분자의 "지문"을 식별할 수 있습니다. 광전 효과(5) 광전류 효과(1927 패닝)
방전관의 두 단 사이의 광전압(전류) 변화를 광전류 효과라고 합니다.
(1): 저압 가스 방전 가능(약 100Pa의 불활성 가스)
(2): 공간 전하 효과 및 글로우 방전:
방전 튜브 음극에서 양극까지 7개의 서로 다른 영역이 있습니다.
1: Aston 어두운 영역: 음극에 가까운 어두운 영역의 얇은 층입니다. 이유: 음극에서 양이온에 의해 충격을 받는 2차 전자의 운동 에너지는 매우 작으며 원자를 자극하여 빛을 방출하기에 충분하지 않습니다.
2: 음극 발광 영역: Aston 다크 존 뒤의 매우 얇은 발광층입니다.
3: 음극 어두운 영역: 음극에서 전자가 이 영역에 도달하면 점점 더 많은 에너지를 얻어 원자 이온화 에너지를 초과하여 대량의 충돌 이온화가 발생하며 여기서 눈사태 이온화 과정이 발생합니다. . 이온화 후 전자가 빠르게 빠져나와 여기에 강한 양의 공간 전하가 형성되어 전기장 분포가 왜곡되고 대부분의 튜브 압력이 여기와 음극 사이에서 떨어집니다.
위의 세 영역은 음극 전위 강하 영역.
4: 네거티브 글로우 영역: 발광이 가장 강한 영역입니다. 전자는 네거티브 글로우 영역에서 많은 여기 충돌을 생성하고 밝은 글로우를 방출합니다.
5: 패러데이 다크존(Faraday Dark Zone): 전자는 네거티브 글로우 존에서 에너지를 잃고 이 존에 들어갈 때 여기를 생성할 만큼 에너지가 충분하지 않습니다.
6: 양극 기둥 영역: 이 영역에서는 전자 밀도가 양이온 밀도와 동일하고 순 공간 전하가 0이므로 플라즈마 영역이라고도 합니다.
7: 양극 영역: 양극이 어두운 영역과 양극이 빛나는 영역을 볼 수 있습니다. 응용 분야: 가스 방전 램프(형광등, 네온 램프, 원자 스펙트럼 램프, 네온 전구), 전압 조정기 튜브, 냉음극 사이리스터 등과 같은 가스 방전 장치. 양극 기둥 영역은 레이저의 입자 빔 반전, 입자 빔 장치의 냉음극 이온 소스, 반도체 공정의 플라즈마 에칭, 박막 스퍼터링 증착, 플라즈마 화학 증착 등을 달성하는 데 사용됩니다.
(3): 광전류 효과의 메커니즘: 준안정 상태(수명은 약 10^(-4)s ~ 10^(-2)s) 원자는 중성 원자보다 이온화하기 쉽고 더 많은 여기를 생성합니다. 원자, 특히 준안정 원자는 방전관의 캐리어 농도를 변경할 수 있습니다.
(4): 광전류 분광학 기술의 응용: 광전류 분광학은 기존 분광계의 광학 시스템이 필요하지 않으며 자외선, 가시광선, 적외선부터 마이크로파까지 광전류 효과를 생성할 수 있습니다. 광전류 분광법은 8자릿수의 동적 범위, 고감도, 저잡음을 갖는 초감도 분광학 기술입니다. (Green 등은 1976년에 레이저를 사용하여 광전류 스펙트럼을 확인했습니다.)
(5): Josch 효과: 공기 또는 절연 가스를 매질로 하는 가스 커패시터에 가시광선을 지속적으로 조사하면 저주파가 발생합니다. 커패시터를 통해 흐르는 전류가 변화하는 것을 조슈 효과(Josch effect)라고 합니다.
(6) : 말터 효과 : 방전관 음극 표면에 금속산화막이 있을 때, 양이온이 표면에 충격을 가하면 2차 전자 방출이 강화되는데, 이를 말터 효과라고 한다. .
6. 광전자 증배관 제조에 광전 효과 적용 광전 효과 광전자 증배관은 빛의 섬광을 증폭된 전기 펄스로 변환한 다음 전자 회로로 전송하여 기록할 수 있습니다. 계산 광전 효과를 아인슈타인 방식으로 정량화할 때 다음 방정식이 사용됩니다. 광자 에너지 = 전자를 제거하는 데 필요한 에너지 방출된 전자의 운동 에너지의 대수적 형태: hf=ψ Em ψ=hf0 Em=(1/2) mv ^2 여기서 h는 플랑크 상수, h = 6.63 ×10^-34 J·s, f는 입사 광자의 주파수, ψ는 일함수, 원자 결합에서 전자를 제거하는 데 필요한 최소 에너지, f0 는 광전 효과가 발생하는 임계 주파수, Em은 방출된 전자의 최대 운동 에너지, m은 방출된 전자의 나머지 질량, v는 방출된 전자의 속도, 참고: 광자의 에너지( hf)가 일함수(ψ)보다 크지 않으면 전자가 방출되지 않습니다. 일함수는 때때로 W로 표시됩니다. 이 공식이 관찰과 일치하지 않는 경우(즉, 전자가 방출되지 않거나 전자의 운동 에너지가 예상보다 작음) 시스템이 완전히 효율적이지 않고 일부 에너지가 열이나 복사로 손실되기 때문일 수 있습니다.
조명 제어 기기의 광전 효과는 광전 튜브를 사용하여 자동 계산, 자동 경보, 자동 추적 등과 같은 자동 제어에 사용할 수 있는 조명 제어 기기를 만듭니다. 오른쪽 위 그림은 조명 제어 릴레이의 작동 원리는 다음과 같습니다. 빛이 켜질 때 광전 튜브가 켜지면 광전 튜브 회로에서 전기 광학 흐름이 생성되어 증폭기에 의해 증폭되어 전자석 M을 자화하고 전기자를 끌어당깁니다. N. 광전 튜브에 빛이 없으면 광전 튜브 회로에 전류가 없으며 전자석 M이 자동으로 제어되며 광전 효과를 사용하여 일부 회전 물체의 회전 속도를 측정할 수도 있습니다. 광전자 증배관 광전 효과 광전 효과는 광전자 증배관, 텔레비전 카메라 관, 광전 관, 전기 광도계 등과 같은 다양한 광전자 장치를 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다. 여기서는 광전자 증배관을 소개합니다. 이 튜브는 매우 약한 빛을 측정할 수 있습니다. 오른쪽 아래 그림은 광전자 증배관의 일반적인 구조를 보여줍니다. 음극 K와 양극 A 외에도 튜브 내부에는 여러 개의 다이노드 K1, K2, K3, K4, K5 등이 있습니다. 이를 사용할 때에는 음극과 양극 사이에 전압을 인가해야 할 뿐만 아니라 각 다이노드에 전압을 인가하여 음극 전위를 최저로 만들어야 하며, 각 다이노드의 전위는 순차적으로 증가하며, 양극 전위는 다음과 같다. 이러한 방식으로 인접한 두 전극 사이의 전압이 가속됩니다. 음극이 빛에 의해 조명되면 광전자가 방출되고 가속 전기장의 작용으로 더 큰 운동력으로 첫 번째 다이노드에 도달합니다. 에너지는 이 다이노드에서 여기될 수 있습니다. 이 전자는 전기장의 작용으로 두 번째 다이노드에 충돌하여 더 많은 전자를 여기시킵니다. 이렇게 하면 여기된 전자의 수가 계속해서 증가하고 최종적으로 수집되는 전자의 수가 늘어납니다. 후면 양극에서 방출되는 전자의 수는 초기 수보다 커집니다. 음극에서 방출되는 전자의 수는 여러 배(일반적으로 105~108배) 증가합니다. 따라서 이러한 종류의 튜브는 매우 약한 빛에 노출되는 한 큰 전류를 생성할 수 있으며 공학, 천문학, 군사 및 기타 측면에서 중요한 역할을 합니다.
농업해충의 예방 및 방제 광전효과 농업해충의 관리는 해충의 특성에 기초하여 환경적으로 적합하고 생태학적으로 양립할 수 있는 기술시스템과 핵심기술을 제안해야 한다. 해로운 곤충은 민감한 광원에 반응하여 개인차와 집단 일관성을 갖는 광전술적 행동 특성을 나타내며, 시각 신경 신호 반응과 생리학적 광자 에너지 요구를 통해 생체광전 효과의 본질을 제시합니다. 이득을 유도하기 위해 곤충의 택시 행동을 활용한 일부 광전 유도 살충 램프 기술 및 해충 유도 트랩 기술은 농업 해충의 예방 및 방제에 널리 사용되며 응용 전망이 좋습니다. 7. 광전 효과 상 수상 아인슈타인 1921. 광전 효과에 대한 성공적인 설명으로 노벨 물리학상을 받았습니다.