Redaktsioon: 29. november 2012, kell 17:44 redigeeri MerlIwBot (arutelu \| kaastöö) 62 419 muudatust P Robot: lisatud hy:Ֆոտոէֆեկտ ← Vanem muudatus		Redaktsioon: 3. detsember 2012, kell 18:51 redigeeri eemalda Anusaarva (arutelu \| kaastöö) 110 muudatust Resümee puudub Uuem muudatus →
1. rida: [[Pilt:Photoelectric_effect.svg\|pisi\|Fotoefekt - Valguse toimel lüüakse elektronid ainest välja]] '''~~Fotoefekt~~Fotoelektriline efekt''' ehk '''~~fotoelektriline efekt~~fotoefekt''' on [[elektron]]ide [[emissioon (füüsika)\|emissioon ]] [[metall]]i (~~või~~ning kateistegi ~~muu~~[[tahkis]]te, ~~koostisega~~[[vedelik]]e ~~keha~~ja [[gaas]]ide) pinnalt suure [[~~elektromagnetkiirgus~~sagedus]]e ~~(sealhulgas~~ja väikese [[~~nähtav~~lainepikkus]]ega ~~valgus\|nähtava valguse~~[[elektromagnetkiirgus]]e ja(nt [[ultraviolettkiirgus]]e) toimel. Nähtust tuntakse ka '''Hertzi efektina'''<ref name="Ref_a">[http://books.google.com/books?vid=0K0iBwtYewSsTOZn0bYsGb4&id=BPcQAAAAIAAJ The American journal of science]. (1880). New Haven: J.D. & E.S. Dana. p. 234</ref><ref name="Ref_b">[http://scienceworld.wolfram.com/physics/HertzEffect.html Weisstein, Eric W. (2007), Eric Weisstein's World of Physics], ''Eric Weisstein's World of Science'', Wolfram Research</ref>, kuigi hilisem termin on leidnud laialdast kasutust. Aine pinnalt kiirguse poolt välja löödud elektrone nimetatakse [[fotoelekton]]ideks<ref name="serway_1">{{cite book\|title = Physics for Scientists & Engineers\|edition=3rd\|author = Serway, Raymond A.\|year = 1990\|page = 1150\|publisher = Saunders\|isbn = 0-03-030258-7\|url = http://books.google.com/?id=RUMBw3hR7aoC&q=inauthor:serway+photoelectric&dq=inauthor:serway+photoelectric}}</ref><ref name="SZY843-4">Sears, Francis W., Mark W. Zemansky and Hugh D. Young (1983), ''University Physics'', Sixth Edition, Addison-Wesley, pp. 843–4. ISBN 0-201-07195-9.</ref>. Selle nähtuse avastas [[Heinrich Hertz]] [[1887]]. aastal<ref name="SZY843-4"/><ref name="Hertz1887">{{cite journal \| first=Heinrich\|last= Hertz\|title=''Über den Einfluss des ultravioletten Lichtes auf die electrische Entladung''\|journal= [[Annalen der Physik]] \|volume=267\|issue=8\|pages=S. 983–1000\|year=1887\|doi=10.1002/andp.18872670827\|bibcode=1887AnP...267..983H}}</ref>. Hertz jälgis ja näitas, et [[elektriline läbilöök]] [[elektrood]]ide vahel tekib kergemini, kui valgustada elektroode ultraviolettkiirgusega. Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse [[sagedus]] ületama sellele pinnale omase [[lävisagedus]]e. Kui kiirguse sagedus on lävisagedusest väiksem, siis elektronide emissiooni ei toimu, sest nad ei saa elektromagnetkiirguselt energiat, mis on vajalik vabanemiseks seosest [[aatomituum]]adega. Fotoefekti käigus emiteeruvaid elektrone nimetatakse [[fotoelektron]]ideks. Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase [[lävisagedus]]e <math>f_0</math> või lainepikkus olema väiksem [[piirlainepikkus]]est <math> \lambda = c/f_0 </math>. Olenemata [[valguse intensiivsus]]est fotoefekti ei teki, kui see tingimus ei ole täidetud.<ref>Füüsika põhikursus, II köide, D. Halliday, R. Resnick ja J. Walker, 2008-1012</ref> [[Katse]]d näitasid, et metalli pinnalt välja löödud elektronide arv on võrdelises sõltuvuses metalli peale langeva [[valguse intensiivsus]]est, kuid ei mõjuta elektronide energiat. Sellele nähtusele andis [[1905]]. aastal lõpliku seletuse [[Albert Einstein]]. Tuginedes [[Max Planck]]i poolt viis aastat varem loodud [[kvantteooria]]le, pidas Einstein [[valgus]]t [[korpuskulaarsus\|korpuskulaarseks]] nähtuseks: [[valgus]] saab [[neeldumine\|neelduda]] või [[kiirgamine\|kiirata]] kindlate diskreetsete väärtuste ([[kvant]]ide) kaupa. Einstein oletas, et valgust kandev [[osake]] ([[footon]]) lööb metalli pinnalt välja elektroni siis, kui footoni energia on suurem kui elektroni [[väljumistöö]]. Tänu fotoefekti uurimisele jõuti lähemale valguse ja elektronide kvantolemuse mõistmisele ja see aitas kaasa [[valguse dualism]]i sõnastamisele.<ref name="serway_1" /> ~~Footoni energia on sõltuv talle vastava laine [[sagedus]]est. Seega, mida suurem on pealelangeva valguse sagedus, seda tõenäolisemalt vabaneb metalli pinnalt elektrone.~~ == Ajalugu == ~~Matemaatiliselt väljendub fotoefekt järgmises võrrandis:~~ [[1887]]. aastal märkas saksa füüsik Heinrich Hertz, et kui valgustada metallplaati ultraviolettkiirgusega, võib sealt sädemeid lüüa. Teati, et metallid on head [[elektrijuht\|elektrijuhid]], kuna elektronid on nende [[aatom]]iga nõrgemalt seotud ja seega sissetuleva [[energia]] järsu suurendamisega saab neid sealt välja lüüa. Mõistatuslik oli aga see, et erinevate metallide jaoks oli emissiooniks vajalik miinimumsagedus erinev. Valguse intensiivsuse tõstmise tagajärjel vabanes rohkem elektrone, kuid nende energia jäi samaks, samas sageduse suurendamisel said elektronid küll suurema energia, kuid nende arv ei muutunud. Seda nähtust hakati kutsuma fotoefektiks.<ref name="serway_a">http://www.aps.org/publications/apsnews/200501/history.cfm</ref> ~~: <math>hf=A+\frac{mv^2}{2}</math>, kus~~ [[1900]]. aastal lahendas [[Max Planck]] ülesande [[musta keha kiirgus]]e kohta, mis näitas, et iga aatom saab neelata või kiirata ainult diskreetse energiaga [[kvant\|kvandi]] <math> E = h\,f</math> . Planck arvas, et kvargi kontsept on lihtsalt matemaatiline trikk, et teooria ühilduks katsega.<ref name="serway_a" /> ~~''A'' on [[väljumistöö]] ehk energia, mis on vaja anda elektronile, et teda metalli pinnalt vabastada;~~ [[1905]]. aasta märtsis avaldas [[Albert Einstein]] artikli, mis andis fotoefektile seletuse. Ta ütles, et valgus on osakeste voog, mille energiad on vastavalt [[Plancki seadus]]ele seotud nende sagedustega. Kui see kiir suunata metallile, siis [[footon]]id põrkuvad aatomitega ja kui footoni sagedus on piisav, et lüüa pinnalt välja elektron, tekib fotoefekt. Valgusosake kannab energiat, mis on võrdeline vastava laine sagedusega. [[1921]]. aastal sai Einstein oma töö eest [[füüsika]]s [[Nobeli preemia]].<ref name="serway_a" /> ~~<math>\frac{mv^2}{2}</math> on väljunud elektroni [[kineetiline energia]] (''m'' on elektroni [[mass]] ja ''v'' on elektroni [[kiirus]]) ning~~ == Emissiooni mehhanism == ~~hf on [[footon]]i ehk valguskvandi energia (''f'' on footonile vastava laine sagedus ning ''h'' on [[Plancki konstant]]).~~ Vastavalt [[laine-osakese dualismile]] käitub valgus samaaegselt nagu laine ja osake. Valguskimbu footonite energia on proportsionaalne valguse sagedusega. Fotoefekti käigus elektron neelab footoni energia ja omandab materjali [[seoseenergia]]st suurema energia, mille tulemusena lüüakse elektron ainest välja. Kui footoni energia on liiga väike, ei õnnestu elektronil ainest põgeneda. Kui suurendada kiirguse intensiivsust, siis suureneb footonite arv valguskimbus ja kuigi vabanenud elektronide arv kasvab, jääb nende energia samaks. Vabanenud elektronide energia sõltub üksikute footonite energiast või sagedusest, ei sõltu aga pealelangeva valguse intensiivsusest. Kui footoni energia on suurem kui väljumistöö, siis väljub elektron, mille kineetiline energia võrdub footoni energia ja elektroni väljumistöö vahega. Teades elektroni massi, on võimalik arvutada tema kiirus. Kiirituse korral saavad elektronid neelata footonite energia, aga nad enamasti järgivad põhimõtet "kõik või mitte midagi": kas neelatakse kogu footoni energia ja kasutatakse see elektroni vabastamiseks aatomist või see eraldub uuesti. Kui footoni energia neelatakse, siis osa energiast vabastab elektroni aatomist ja ülejäänu jääb elektroni [[kineetiline energia\|kineetiliseks energiaks]].<ref name="Ref_Lenard">{{cite journal\|doi=10.1002/andp.19023130510\|title=Über die lichtelektrische Wirkung\|year=1902\|last1=Lenard\|first1=P.\|journal=Annalen der Physik\|volume=313\|issue=5\|pages=149–198\|bibcode = 1902AnP...313..149L }}</ref><ref name="Ref_Millikan">{{cite journal\|doi=10.1103/PhysRev.4.73.2\|title=A Direct Determination of "h."\|year=1914\|last1=Millikan\|first1=R.\|journal=Physical Review\|volume=4\|pages=73–75 \|bibcode = 1914PhRv....4R..73M }}</ref><ref>{{cite journal\|title=A Direct Photoelectric Determination of Planck's "h"\|url=http://www.fisica.net/quantica/millikan_a_direct_photoelectric_determination_of_plancks_h.pdf\| doi=10.1103/PhysRev.7.355 \|volume= 7\|pages=355–388\|year=1916\|last1=Millikan\|first1=R.\|journal=Physical Review\|issue=3\|bibcode = 1916PhRv....7..355M }}</ref> ~~Aastal [[1921]] sai Einstein fotoefekti teooria eest [[Nobeli auhind\|Nobeli auhinna]].~~ === Matemaatiline kirjeldus === ~~==Vaata ka==~~ *[[kvantteooria]] Vabanenud elektroni maksimaalne kineetiline energia <math>K_{\mathrm{max}}</math> avaldub kujul ~~[[Category:Füüsika]]~~ <center><math>K_{\mathrm{max}} = h\,f - \varphi,</math></center> kus <math>h</math> on [[Plancki konstant]], <math>f</math> footoni sagedus ning <math>\varphi</math> [[väljumistöö]] (tähistatakse ka <math>W</math> ja <math>\phi</math> <ref>{{cite book\|last=Mee\|first=Chris\|year=2011\|publisher=Hodder Education\|isbn=978 0 340 94564 3\|coauthors=Crundell, Mike; Arnold, Brian; Brown, Wendy\|accessdate=18 July 2012\|page=241\|quote=is called the work function energy Φ}}</ref>), mis on minimaalne energia, mille elektron peab omandama, et metalli pinnalt väljuda. See avaldub kujul <center><math>\varphi</math> = <math>h\,f_0,</math></center> kus <math>f_0</math> on metalli lävisagedus. Maksimaalne kineetiline energia avaldub seega kujul <center><math>K_{\mathrm{max}} = h \left(f - f_0\right).</math></center> Kineetiline energia on alati positiivne, järelikult fotoefekti tekkimiseks peab olema täidetud tingimus <math>f > f_0</math>. === Tõkkepinge === Fotoefekti loomust illustreerib seos voolu ja rakendatud pinge vahel. Olgu meil katseseade, kus klaasballoonis, millest on õhk välja pumbatud, paiknevad kaks [[elektrood]]i. Elektrood, millele langeb valgus, ühendatakse patarei negatiivse [[klemm]]iga. Elektroodidele rakendatud pinget saab muuta [[potentsiomeeter\|potentsiomeetriga]]. Valgustatud elektrood emiteerib elektrone, mis tekitavad elektriväljas elektrivoolu. Jättes valgusvoolu konstantseks, kuid muutes elektroodidele rakendatud pinget, suureneb voolutugevus. Mingi kindla väärtuse juures saavutab see maksimaalse väärtuse, mida nimetatakse [[küllastusvool]]uks. Selle tugevuse määrab elektroodilt ühes sekundis lahkunud elekronide arv. Kui pinge on väike, siis ei jõua kõik elektronid teisele elektroodile. Fotovoolu tugevus erineb nullist aga ka siis, kui pinge on null. Seega osa fotoefekti toimel emiteerunud elektrone jõuab teisele elektroodile ka siis, kui elektroodide vahel pinge puudub. Kui muuta vooluallika [[polaarsus]]t, siis voolutugevus väheneb ja muutub mingi pinge <math>U_s</math> juures nulliks. Selle tulemusena pöörduvad kõik elektronid tagasi elektroodile, kust nad emiteerusid.<ref name="serway_c"> /> Füüsika X-XI kl. G. Mjakišev, B. Buhhovtsev, lk 229, 19803</ref> Kui <math>m</math> on emiteerunud fotoelektroni mass ja <math>v_max</math> tema maksimaalne kiirus, saame kineetilise energia kirja panna järgmiselt: <center><math>K_{\mathrm{max}} = \frac {1} {2} m v^2_{\mathrm{max}}</math></center>. [[Tõkkepinge]] <math>U_s</math> väärtus sõltub väljatõrjutud elektronide maksimaalsest kineetilisest energiast järgmiselt: <center><math>{1\over 2}mv^2_{\mathrm{max}} = eV_0,</math></center> kus <math>e</math> on elektroni laeng.<ref name="serway_c" /> Tõkkepinge on lineaarses sõltuvuses valguse sagedusega, aga sõltub ka materjalist. Emissiooni tekkimiseks, tuleb iga konkreetse materjali jaoks ületada sellele vastav lävisagedus <math>f_0</math>, mis omakorda ei sõltu laine sagedusest, vaid ainult ainelistest omadustest. Näiteks [[germaanium]]dioodi tõkkepinge muutub vahemikus 0,2–0,3 V ja [[silikoon]]dioodil 0,5–0,7 V.<ref name="serway_x">http://ocw.weber.edu/automotive-technology/ausv-1320-automotive-electronics/11-semiconductors/barrier-voltages</ref> === Kolmeastmeline mudel === Fotoefekti tahkistest käsitletakse tihti kolmeastmelisena: # [[laengukandja]]te loomine tahkises. Elektron [[ergastatud olek\|ergastatakse]] algolekust lõppolekusse, mis energeetiliselt asub [[juhtivustsoon]]is. # ergastatud elektroni liikumine pinna suunas # pinnale jõudnud elektroni väljumine aine pinnast.<ref name="serway_d"> Eksperimentaalfüüsika magistrikursus: elektronspektroskoopia praktikum, koostaja Kuno Kooser, Tartu Ülikool, 2007</ref> == Kasutamine == === Fotoelemendid === [[Pilt:M.fotoelement.png\|160px\|pisi\|Fotoelement]] Tänu fotoelementidele saab edasi anda liikuvaid kujutisi. Fotoelektronseadmete kasutamine võimaldab ehitada tööpinke, mis on võimelised detaili valmis tegema jooniste järgi ilma inimese abita. Fotoefektil põhinevaid masinaid kasutatakse täppismõõtmisteks, seadmete õigeaegseks sisselülitamiseks jne.<ref name="serway_c" /> See kõik on võimalik tänu fotoelementide leiutamisele. Fotoelementides valgusenergia juhib [[elektrienergia]]t või muundub selleks. Fotoelement on [[vaakumtoru]], milles on kumer [[katood]], mida kutsutakse [[emitter]]iks ja mis on tehtud metallist, milles elektronide väljumistöö on väike. Kui emitterile langeb valgus, mille sagedus on suurem vastavast lävisagedusest, vabanevad elektronid. [[Anood]]iks on toru keskel olev peenike traat, [[kollektor]], mis on piisavalt peenike, et ei blokeeri valgust. Kollektorile antakse positiivne [[potentsiaal]] ja tema ülesanne on püüda fotoelektrone. Valguse langemisel fotoelemendi katoodile tekib vooluahelas [[elektrivool]], mis rakendab tööle [[relee]] või vajadusel releed. Fotoelemendi ja relee kombinatsioonil põhinevad paljud "nägevad" automaadid, näiteks metroo automaat, mis avab läbipääsu alles siis, kui sellesse on sisestatud piisavalt münte. Taolised automaadid on olulised turvalisuse tagamiseks. Näiteks saab fotoelemendi abil võimas press peaaegu silmapilkselt peatuda, kui inimese käsi on sattunud ohtlikku tsooni.<ref>http://resources.teachnet.ie/dkeenahan/2005/app.html</ref>.<ref name="serway_c" /> === Fotoelektronspektroskoopia === Kuna emiteerunud fotoelektronide energia on täpses seoses footoni energia ja materjali seoseenergiaga, saab proovi väljumistöö funktsiooni leida, kiiritades seda proovi [[monokromaatsus\|monokromaatilise]] [[röntgenkiirgus]]e või ultraviolettkiirgusega ja mõõtes emiteerunud elektronide kineetilist energiat.<ref name="Ref_z">Stefan Hüfner [http://books.google.com/books?id=WfOw6jP9-oIC&printsec=frontcover Photoelectron Spectroscopy Principles and Applications]. Springer, 3rd edition, 2003 ISBN 3-540-41802-4</ref> [[Röntgenfotoelektronspektroskoopia\|Fotoelektronspektroskoopia]] toimub [[vaakum]]is, et ei toimuks elektronide põrkeid gaasikeskkonna molekulidega.<ref name="Ref_aa">{{cite journal\|title=Solid-State Photoelectron Spectroscopy with Synchrotron Radiation\|doi= 10.1126/science.206.4415.151\|year=1979\|last1=Weaver\|first1=J. H.\|last2=Margaritondo\|first2=G.\|journal=Science\|volume=206\|issue=4415\|pages=151–156\|pmid=17801770\|bibcode = 1979Sci...206..151W }}</ref> Kontsentriline poolsfääriline analüsaator kasutab elektrivälja, et muuta elektronide suunda sõltuvalt nende kineetilisest energiast. Seoseenergia on erinev iga elemendi jaoks. Seega analüsaatori väljund annab graafiku, mille kohalikud maksimumid näitavad ära pinnal olevate ainete koostise. == Viited == <references/> [[ar:ظاهرة كهروضوئية]] [[az:Fotoelektrik effekt]] [[id:Efek fotolistrik]]▼ [[bn:আলোক তড়িৎ ক্রিয়া]] [[su:Éfék fotolistrik]]▼ [[bs:Fotoelektrični efekat]]▼ [[bg:Фотоелектричен ефект]] ▲[[bs:Fotoelektrični efekat]] [[ca:Efecte fotoelèctric]] [[cs:Fotoelektrický jev]] 39. rida ⟶ 81. rida: [[de:Photoelektrischer Effekt]] [[el:Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο]] [[en:Photoelectric effect]]▼ [[es:Efecto fotoeléctrico]] ▲[[en:Photoelectric effect]] [[eo:Fotoelektra efiko]] [[eu:Efektu fotoelektriko]] 47. rida ⟶ 89. rida: [[gl:Efecto fotoeléctrico]] [[ko:광전 효과]] ~~[[hy:Ֆոտոէֆեկտ]]~~ [[hi:प्रकाश विद्युत प्रभाव]] [[hr:Fotoelektrični učinak]] ▲[[id:Efek fotolistrik]] [[it:Effetto fotoelettrico]] [[he:האפקט הפוטואלקטרי]] 76. rida ⟶ 118. rida: [[sr:Фотоелектрични ефекат]] [[sh:Fotoelektrični efekt]] ▲[[su:Éfék fotolistrik]] [[fi:Valosähköinen ilmiö]] [[sv:Fotoelektrisk effekt]] 81. rida ⟶ 124. rida: [[ta:ஒளிமின் விளைவு]] [[th:ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก]] [[vi:Hiệu ứng quang điện]]▼ [[tr:Fotoelektrik etki]] [[uk:Фотоефект]] [[ur:ضیا برقی اثر]] ▲[[vi:Hiệu ứng quang điện]] [[zh:光电效应]]

Fotoefekt: erinevus redaktsioonide vahel