Fotoelektriskais un fotovoltāiskais efekts

- Ja uz noteiktiem metāliem spīdina noteikta veida gaismu,

elektroni tiks izstaroti.

Mēs to saucam par fotoelektrisko efektu, jo gaisma ir foto,

un elektronu izstarošana ir elektriska.

Un tas bija viens no galvenajiem eksperimentiem,

kas vispār mums palīdzēja atklāt pilnīgi

jaunu gaismas modeli.

Bet kā tieši, tu jautā? Nu, noskaidrosim.

Interesanti ir tas, ka šis efekts ir atkarīgs no

gaismas krāsas.

Piemēram, ja šis metāls būtu, teiksim, kālijs,

tad, ja tu spīdinātu zilo gaismu,

tad mēs iegūtu izstarotus elektronus,

fotoelektriskai efekts notiek.

Bet ja tu spīdinātu sarkano gaismu uz kāliju,

mēs vispār neiegūtu fotoelektrisko efektu.

Nav svarīgi, cik spilgtu tu to padarītu.

Pat ja tu padarītu to žilbinoši spilgtu,

mēs neiegūtu fotoelektrisko efektu.

Tas mulsināja fiziķus.

Padomā par modeli - šeit mums ir atomi

ar elektronu mākoņiem un kodols

centrā, vai ne?

Kad tu spīdini gaismu, gaismas enerģija

tiek nodota elektroniem, un tie spēj izbēgt no

kodola tvēriena un iziet ārā.

Bet kāpēc tas nevar notikt šeit ar sarkano gaismu?

Padomā, es spīdinu spilgtu gaismu,

ļoti augsta intensitāte, milzīgs enerģijas daudzums,

un tomēr elektroni nespēj to absorbēt un iziet ārā.

Kāpēc fotoelektriskais efekts ir atkarīgs no krāsas?

Tas bija liels jautājums, kas nedeva mieru.

Nu, ko mēs šeit darām?

Mēs veicam rūpīgākus eksperimentus.

Vispirms, paskatīsimies tikai uz krāsu,

un tad padomāsim par spilgtumu vēlāk.

Kas ir krāsa, ja runājam par elektromagnētiskajiem viļņiem?

Atceries, ka krāsa principā ir atkarīga no viļņa

garuma.

Piemēram, sarkanās krāsas viļņa garums

varētu būt aptuveni 650 nanometri.

Mēs konstatējam, ka pie 650 nanometriem

mēs neiegūstam nekādu fotoelektrisko efektu kālijam.

Mēs nezinām kāpēc, bet tagad varam

samazināt viļņa garumu un redzēt, kas notiek,

ja es turpinu samazināt viļņa garumu, un, teiksim,

nonāku pie oranžās gaismas ar 600 nanometriem,

redzi, es to samazināju.

Es joprojām neiegūstu fotoelektrisko efektu, nezinu kāpēc,

bet es vienkārši veicu eksperimentu.

Šis ir novērojums, labi?

Es turpinu samazināt.

Es turpinu samazināt viļņa garumu, līdz sasniedzu 541 nanometru.

Šajā brīdī es sāku novērot fotoelektrisko efektu,

un šajā konkrētajā gadījumā elektroni tikko spēj iziet

no metāla.

Tāpēc es esmu uzzīmējis ļoti mazas bultiņas,

tiem gandrīz nav kinētiskās enerģijas.

Es tikai iegūstu nelielu fotoelektrisko efektu,

un tad, ja es samazinu vēl vairāk, tur es iegūstu

zilo gaismu ar aptuveni 500 nanometriem.

Šie ir aptuveni skaitļi, labi?

Pie 500 nanometriem es tagad iegūstu fotoelektrisko efektu,

bet elektroni iziet ar vēl lielāku enerģiju.

Kas notiek, ja es samazinu vēl vairāk?

Es konstatēju, ka elektroni iziet ar vēl lielāku enerģiju.

Tātad, kāds ir mūsu novērojums?

Mēs redzam, ka, ja samazinām viļņa garumu, mēs iegūstam vairāk enerģijas

elektroniem, kas iziet.

Mēs varam runāt arī par frekvenci.

Atceries, jo lielāks viļņa garums, jo mazāka frekvence,

jo, ja ir liels viļņa garums,

sekundē iziet cauri mazāk viļņu.

Tātad šī ir zema frekvence, un šī ir augsta.

Tātad mēs varam teikt, runājot par frekvenci,

jo lielāka frekvence, jo lielāka elektronu enerģija.

Un šeit ir arī kāda robeža, vai ne?

Piemēram, ja viļņa garums ir virs 541 nanometra

kālijam, kālijam, ja tas ir virs 541 nanometra,

nav fotoelektriskā efekta, tikai zem tā

mēs iegūsim fotoelektrisko efektu.

Un katram metālam būs sava robeža.

Mēs to saucam par robežviļņa garumu,

vai arī vari teikt robežfrekvenci.

Bet galvenā doma ir, ka, ja viļņa garums ir zem

šī robežviļņa garuma, tikai tad tu iegūsi

fotoelektrisko efektu, ja tas ir virs, tu to neiegūsi.

Dažādiem metāliem ir dažādi robežviļņu garumi

un līdzīgi arī dažādas robežfrekvences.

Tāda ir viļņa garuma un frekvences ietekme.

Mēs redzam, ka viļņa garums un frekvence kontrolē

enerģiju, ar kādu elektroni iziet,

un to nevar izskaidrot - kāpēc.

Kāpēc viļņa garums un frekvence to kontrolē?

Kāpēc es neiegūstu fotoelektrisko efektu,

ja tas ir virs robežviļņa garuma?

Tas nedod nekādu jēgu.

Bet labi, nākamais jautājums varētu būt -

kā spilgtums ietekmē visu šo procesu?

Vai tam ir kāda ietekme?

Atbilde ir jā.

Atceries, spilgtums jeb gaismas intensitāte principā ir

cik lielas ir ieplakas un virsotnes, vai ne?

Tātad, ja tu padarītu gaismu spilgtāku,

tad tā izskatītos apmēram šādi.

Tu vari to iedomāties šādi.

Šī ir spilgtāka gaisma, labi?

Tagad mēs konstatējam, ka iegūstam vairāk elektronu.

Tas nemaina enerģiju, ar kādu šie elektroni iziet.

Redzi, tie iziet ar to pašu enerģiju kā iepriekš,

bet tagad mēs iegūstam vairāk elektronu.

Protams, ja esi virs robežviļņa garuma,

tu vispār neiegūsi fotoelektrisko efektu,

neatkarīgi no spilgtuma.

Tam nav nozīmes, labi?

Tātad, ja tu samazini spilgtumu vai intensitāti,

tu iegūsti mazāk elektronu.

Ja tu palielini intensitāti, tu iegūsti vairāk elektronu.

Tātad intensitāte kontrolē tikai elektronu skaitu,

bet tieši viļņa garums vai frekvence kontrolē

enerģiju, ar kādu šie elektroni iziet,

tas arī kontrolē, vai mēs iegūsim fotoelektrisko efektu vai nē.

Lielais jautājums bija, kāpēc viļņu modelis vienkārši nevar to izskaidrot,

jo saskaņā ar viļņu modeli,

tev vajadzētu iegūt fotoelektrisko efektu visām gaismas

krāsām, vai ne?

Ja tu padarītu gaismu pietiekami spilgtu, elektroniem vajadzētu spēt

to absorbēt un vienkārši iziet.

Bet tas nenotiek.

Un tieši tāpēc fiziķi tolaik bija mulsumā,

un mums ļoti vajadzēja atbildi uz šo jautājumu.

Tātad, ko mēs darījām?

Nu, lai izskaidrotu šos novērojumus, mēs izveidojām

pilnīgi jaunu gaismas modeli.

Tā vietā, lai domātu par gaismu kā viļņiem, kas pārnes

enerģiju nepārtraukti un var nodot

enerģiju nepārtraukti, mēs domājām, ka varbūt gaisma

sastāv no diskrētiem enerģijas paketiem, nevis viļņiem,

bet enerģijas paketiem, ko mēs saucam par fotoniem.

Un tad, kad gaismu absorbē, teiksim, elektroni,

tie arī absorbē to kā paketes.

Tu vai nu neabsorbē nekādu gaismu, vai absorbē

vienu gaismas paketi, vai divas gaismas paketes,

un tā tālāk, neko pa vidu.

Mēs to saucam par diskrētu, kas ir tieši pretēji

tam, kas notiek viļņu modelī,

tur tu vari absorbēt nepārtraukti.

Labi, tad kā tas izskaidro fotoelektrisko efektu,

šos novērojumus?

Nu, paskatīsimies.

Galvenā lieta šeit ir tā, ka fotonu enerģija

jeb pakešu enerģija, ievēro, ir atkarīga no krāsas.

Ja tev ir darīšana ar garu viļņa garumu

vai zemas frekvences gaismu, tad paketei ir mazāka enerģija,

fotoniem ir mazāka enerģija.

Un ja tev ir darīšana ar īsu viļņa garumu

vai augstas frekvences gaismu, tu vari redzēt, ka paketēm ir

lielāka enerģija.

Tātad, jo īsāks viļņa garums vai lielāka frekvence,

jo vairāk enerģijas ir paketē.

Pastāv sakarība starp enerģiju un viļņa garumu,

kurā mēs neiedziļināsimies.

Bet ļauj man tev dot dažus aptuvenos skaitļus,

jo skaitļi mums šeit palīdzēs.

Lūk, daži skaitļi.

Izrādās, ka, ja tu ņem sarkano gaismu

ar 650 nanometriem, paketes enerģija, fotona

enerģija ir aptuveni 1,9 elektronvolti.

Jā, varbūt tu brīnies, vai mums nevajadzētu mērīt

enerģiju džoulos?

Nu, džouls izrādās esam liela enerģijas mērvienība.

Tāpēc mēs izmantojam mazāku enerģijas mērvienību,

ko saucam par elektronvoltiem.

Neuztraucies pārāk daudz par mērvienībām,

tie ir tikai skaitļi.

Tu vari redzēt, ka šīm paketēm ir maza enerģija,

bet šai paketei ir daudz lielāka enerģija.

2,8 elektronvolti, tu to vari redzēt.

Tagad kālijam izrādās,

ja tu gribi izraut elektronu,

ja elektronam jātiek izstarotam, minimālā enerģija,

kas tev nepieciešama, ir aptuveni 2,3 elektronvolti.

Tas ir kālijam.

Tagad ir lielisks brīdis apturēt video

un paskatīties, vai tu vari mēģināt

izveidot izskaidrojumu.

Labi, paskatīsimies.

Galvenā doma šeit ir tāda, ka, ja tu gribi izsist

elektronu, nu, zini,

likt tam elektronam izbēgt, tad vienam fotonam

vajadzētu būt vismaz tik daudz enerģijas.

Ja fotoniem nav vismaz tik daudz enerģijas,

tad elektrons to absorbēs,

bet tas nav pietiekami, lai izbēgtu,

un tāpēc tas vienkārši izstaros to atpakaļ.

Un tāpēc, ja tu ņem sarkano gaismu,

vienam fotonam nav

pietiekami daudz enerģijas.

Un tieši tāpēc elektroni netiek

izstaroti šeit.

Un tāpēc šī gaisma nespēj

radīt fotoelektrisko efektu.

Šeit mums ir tieši pietiekami enerģijas

fotoelektriskajam efektam, un tāpēc elektroni

tikko spēj iziet, jo visa enerģija

tiek izmantota tikai elektronu atbrīvošanai.

Šeit gandrīz nav enerģijas atlicis,

tāpēc tie tikko kustas.

Bet šeit, ievēro, ka tev ir vairāk nekā nepieciešamā

enerģija, un tāpēc paliek pāri enerģija.

Un tāpēc elektroniem pēc iziešanas ir papildu enerģija,

kas paliek kā kinētiskā enerģija.

Un tā kā šim ir vēl vairāk enerģijas,

katram fotonam ir vēl vairāk enerģijas, elektroni tagad

iziet ar vēl lielāku kinētisko enerģiju,

jo pēc iziešanas paliek vairāk atlikušās enerģijas.

Bet kā ar intensitāti?

Nu, ja tu palielini intensitāti šajā modelī,

mēs vienkārši palielinām fotonu skaitu, tas arī viss.

Šeit ievēro, ka ja vienam fotonam nav

pietiekami daudz enerģijas, tad man vienalga, cik daudz fotonu tu spīdini,

tas vienkārši nedarbosies.

Tāpēc šeit es joprojām neiegūšu nekādu

fotoelektrisko efektu.

Bet šeit tagad es spīdinu vairāk fotonu,

tāpēc vairāk elektronu var absorbēt šo enerģiju

un tāpēc vairāk elektronu var izbēgt sekundē.

Un tāpēc es iegūstu vairāk elektronu,

apkopojot visu kopā.

Tā kā viļņa garums vai frekvence nosaka enerģiju

vienam fotonam, tas nosaka kinētisko enerģiju,

jo īsāks viļņa garums, jo spēcīgāks, jo vairāk enerģijas

ir fotonam un jo lielāka ir kinētiskā enerģija.

Ja viļņa garums ir lielāks un tas ir pārāk liels,

fotona enerģija ir ļoti maza,

tas nespēs neko izsist

un tu neiegūsi nekādu fotoelektrisko efektu.

Un tā kā intensitāte principā ir fotonu skaits,

ja tev ir vairāk fotonu, tu iegūsi vairāk

elektronu, kas iziet.

Bet šeit nav svarīgi, cik daudz fotonu tu spīdini,

un tāpēc nav svarīgi, kāds ir spilgtums,

tu neiegūsi fotoelektrisko efektu.

Skaisti, vai ne?

Tātad, vai tas nozīmē, ka gaisma nav vilnis?

Tā patiesībā ir daļiņas?

Nu, ne gluži.

Redzi, daži gaismas fenomeni, piemēram, difrakcija

vai interference, norāda, ka gaismai jābūt viļņu īpašībām,

bet daži citi fenomeni, piemēram, fotoelektriskais efekts,

melnā ķermeņa starojums, gaismas izkliede

un citi tādi efekti liek mums domāt,

ka gaismai jābūt arī daļiņu dabai,

fotonu dabai, kas nozīmē, ka gaismai jābūt

duālai dabai, gan daļiņu, gan viļņu.

Tas nav tā, ka gaisma dažreiz uzvedas kā viļņi

un dažreiz kā daļiņas.

Nē, nē, nē.

Gaismai ir gan viļņu, gan daļiņu daba.

Un ja tu brīnies, nu, kā tas var būt jēdzīgi?

Kā kaut kas var būt gan viļņi,

gan daļiņas vienlaicīgi?

Diemžēl nav iespējams to īsti vizualizēt,

jo mūsu makroskopiskajā pasaulē

mums nav pieredzes ar lietām, kurām būtu gan viļņu,

gan daļiņu daba.

Bet tieši tāpēc dažreiz, kad mēs

attēlojam fotonus, mēs tos rādām šādi,

ar mazu viļņu paketi, bet tas nenozīmē,

ka fotoni viļņojas augšup un lejup.

Labi, tā ir kļūdaina izpratne, kas man agrāk bija.

Tas nav tā.

Labāks veids, kā par to domāt, ir tas, ka

gaisma nav vilnis tradicionālā nozīmē.

Tā nav daļiņa tradicionālā nozīmē,

tas ir pilnīgi jauns objekts, ar kuru mums nav

pieredzes mūsu ikdienas dzīvē.

Šim objektam ir gan viļņu īpašības,

gan daļiņu īpašības, un mēs saucam šādu objektu

par kvantu objektu.

Tagad tas izklausās ļoti teorētiski, vai ne?

Bet ir tik daudz pielietojumu faktam,

ka gaisma ir kvantu objekts.

Ļauj man tev pastāstīt par vienu no tiem.

Tagad, fotoelektriskajā efektā no gaismas

mēs iegūstam izstarotus elektronus, vai ne?

Tagad ir ļoti līdzīgs,

nedaudz atšķirīgs efekts, ko sauc par (nesaprotams)

kad tu spīdini gaismu, tu vari radīt spriegumu.

Mēs saucam šādu efektu par fotoelektrisko efektu.

Tas darbojas tā, ka mums vispirms jāizveido kristāls,

kurā jau ir iebūvēts elektriskais lauks.

To ir iespējams izdarīt.

Mēs neiedziļināsimies pārāk detalizēti, kā mēs veidojam

šādus kristālus, bet izmantojot pusvadītājus,

mēs varam izveidot šādus kristālus.

Mums nav jāpieslēdz tas nekādai baterijai vai kam citam.

Tam būs iebūvēts elektriskais lauks.

Kristāls ir izveidots tā, ka vienai pusei

ir nedaudz atšķirīgas īpašības salīdzinājumā

ar otru kristāla pusi.

Un īpašību atšķirību dēļ

izveidojas elektriskais lauks.

Tagad svarīgākais ir tas, ka visur ir elektroni,

bet ja tu koncentrējies uz šo reģionu, ir daudz

elektronu, bet tie visi ir saistīti un nespēj

brīvi pārvietoties.

Tāpēc pat ja ir elektriskais lauks, kas uz tiem darbojas,

tie nevar kustēties, jo tie ir iestrēguši saitēs.

Tu vari iedomāties, ka tas ir kā elektronu jūra.

Tie visi ir it kā fiksēti kristālā,

tie nevar kustēties.

Bet ja mēs spīdinām gaismu šajā reģionā,

un ja gaismai ir piemērota frekvence

vai piemērots viļņa garums, tad elektroni var absorbēt

šo enerģiju, bet netiks izstaroti.

Labi, tā ir atšķirība šeit.

Fotoefektā tie tiek izstaroti.

Bet šeit, tā vietā lai tiktu izstaroti,

tie vienkārši iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai izbēgtu no saites.

Un rezultātā tagad tie var brīvi kustēties, un tāpēc

tie tiks paātrināti pa kreisi šajā diagrammā,

jo elektriskais lauks pa labi elektroniem ir negatīvs

lādiņš, spēks darbojas pretējā virzienā.

Un rezultātā tie tagad nonāks kreisajā pusē

un atstās aiz sevis spraugu.

Tagad citi elektroni, tie elektroni, kas ir saistīti,

var ieskriet šajā spraugā, kas liek spraugai pārvietoties

pa labi, un tad citi elektroni var ieskriet

šajā spraugā un tā tālāk.

Tāpēc šķiet, ka šī sprauga, šī latentā fāze pārvietosies

uz otru pusi.

Šādā veidā var tikt radīti daudzi elektroni un daudzas vakances,

var tikt radītas.

Un tā, ja mēs varam noslēgt šo ķēdi,

elektroniem patiktu pārvietoties no šejienes uz šejieni

caur šo ārējo ķēdi.

Citiem vārdiem sakot, tiek radīts spriegums.

Un tā mēs esam izmantojuši enerģiju no

gaismas, lai radītu spriegumu - fotoelektriskais efekts.

Ja tu saliec daudz šādu kopā, mēs izveidojam saules paneli.

Tā darbojas saules elementi un saules paneļi.

Tie darbojas uz fotoelektriskā efekta pamata.

Vai tu apsver tos uz māju jumtiem

vai tos, kas ir kosmosa kuģos,

tie visi izmanto to pašu ideju.

Galu galā mēs izmantojam faktu,

ka gaisma ir kvantu objekts, lai izmantotu gaismas

spēku, ko mēs iegūstam no saules.