Warum ändert sich im Experiment zum photoelektrischen Effekt die Anzahl der Photoelektronen nicht mit zunehmender Frequenz?

Wenn wir die Lichtfrequenz erhöhen, erhöht sich auch die Energie der Photonen. Wir können dies deutlich aus dieser Gleichung erkennen,

E = H v ; v ist die Lichtfrequenz

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Wir wissen, dass Elektronen auf ihrem Weg aus dem Metallgitter durch Stöße Energie verlieren. Einige Elektronen verlieren durch die Kollisionen die gesamte Energie, bevor sie aus dem Metall austreten, und können daher das Metallgitter nicht verlassen. Da ihnen nun aber mehr Energie von den Photonen übertragen wird, können diese nun trotz aller Kollisionen ihren Weg aus dem Atom finden. In Anbetracht dieser Elektronen, die jetzt herauskommen, sollte die Anzahl der Photoelektronen definitiv zunehmen, wenn die Lichtfrequenz erhöht wird.

Wenn die Anzahl der Photoelektronen zugenommen hat, steigt der Sättigungsstrom (Photostrom, bei dem auch Elektronen mit kinetischer Energie Null das Metallgitter verlassen können). Denn es kann vorkommen, dass das Elektron, das zuvor seine gesamte Energie verloren hat, bevor es an die Oberfläche des Atoms gelangt, mit null kinetischer Energie aus dem Metallgitter herauskommt.

Daher ist dieser Graph des Photostroms gegen das Anodenpotential bei zwei verschiedenen Frequenzen falsch. Der Sättigungsstrom von Licht mit höherer Frequenz muss größer sein, da die Anzahl der Elektronen, die die andere Platte erreichen, größer ist. (Der Sättigungsstrom ist eigentlich ein Maß für Photoelektronen, die die andere Platte erreichen).

Was verpasse ich?

Bitte keine Erklärungen anhand von Formeln geben.

Um besser zu verdeutlichen, was ich meine,

Betrachten Sie ein Elektron. In Situation 1 absorbierte es 3 EV (Zahlen sind zufällig gewählt) Energie von einem bestimmten Photon. Auf seinem Weg aus dem Atom kam es zu Kollisionen. Sagen wir, um diese Kollisionen zu überwinden, muss es 4ev Energie geben. Aber da die Elektronen nicht so viel Energie haben, können sie nicht aus dem Atom herauskommen. In Situation 2 erhöht sich beispielsweise die Frequenz des Lichts, und daher wird mehr Energie auf dieses Elektron übertragen, beispielsweise 5 eV. Jetzt, auf seinem Weg aus dem Atom, wird es genug Energie haben, um sich all diesen Kollisionen zu stellen und herauszukommen. Daher wird es zu einem Photoelektron.

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Antworten (3)

Die kinetische Energie eines Photoelektrons hängt von der Energie ab, die benötigt wird, um es aus dem Gitter zu entfernen, und von der Energie des einfallenden Photons, das dies bewirkt hat. Da es sich tatsächlich um einen Oberflächeneffekt handelt, sind Kollisionen mit Gitteratomen nicht sehr wichtig. Wenn Sie also ein Licht auf die Oberfläche des Metalls richten, hängt die Anzahl der emittierten Elektronen von der Anzahl der Photonen ab. Die Emission selbst hängt natürlich von der Energie ab. Da also Elektronen in Metall eine bestimmte Menge an Energie benötigen, um aus dem Gitter entfernt zu werden, muss ein Photon mindestens so viel Energie haben. Aber ein Photon kann nur ein Elektron herausschmeißen usw....nun sagen Sie in Ihrem Szenario, dass es Elektronen gibt, die einfach nicht aus dem Metall herauskommen könnten...aber haben Sie sich überlegt, wie ein Photon zu diesem Elektron gelangen könnte? Metalle sind keine sehr guten transparenten Materialien... Licht interagiert mit dem Metall direkt an der Oberfläche. Es sind also Elektronen von der Oberfläche, die herausgeschleudert werden. Kollisionseffekte, von denen Sie sprechen, haben also fast keine Auswirkung auf den photoelektrischen Effekt. Experimentelle Daten zeigen, dass nur eine einzigartige Energie benötigt wird, um den Effekt in einem bestimmten Metall zu starten.

Währenddessen haben wir in der gesamten Theorie des photoelektrischen Effekts gezögert, über kinetische Energien von Elektronen zu sprechen. Wir haben nur über die Reichweite der kinetischen Energie gesprochen. Wenn Ihre Annahme so gültig wäre, hätten wir die maximalen kinetischen Energien nehmen können, die die Elektronen an der äußeren Oberfläche besitzen, und damit arbeiten können.
Was meinst du mit "Metalle sind keine sehr guten transparenten Materialien". Ein Metall besteht aus Einheitszellen, die, wenn sie in allen Dimensionen wiederholt werden, das gesamte Gitter erzeugen. Das Metallgitter an der Oberfläche hat also die gleiche Umgebung wie die inneren Teile des Gitters. Außerdem gehören Elektronen an der Metalloberfläche keinem bestimmten Kern an, sie können sich im gesamten Gitter bewegen. Ein Elektron, das sich im inneren Kern befand, könnte also im nächsten Moment an der äußeren Oberfläche sein. Nachdem das Licht einige Photonen ausgestoßen hat, werden Elektronen im Metallgitter ihren Platz einnehmen, um den Mangel zu überwinden.
Nun werden jene Elektronen, die gekommen sind, um den Platz der Photoelektronen einzunehmen, herausgeschleudert. Ich denke, es erklärt deutlich, warum Ihr Argument, dass Licht Elektronen auf der Oberfläche des Metallatoms ausstößt, meistens unbegründet ist.
@Blue, Nein. Die Umgebung eines Atoms an der Metalloberfläche ist nicht identisch mit der eines Atoms in der Masse. Die Fernordnung (sich unendlich in alle Richtungen erstreckend) ist eine theoretische Beschreibung über einen Kristall. In Wirklichkeit haben keine Kristalle eine unendliche Länge entlang der drei Dimensionen.
@Unnikrishnan, okay, selbst wenn wir das bedenken, ist es wahr, dass, wenn Elektronen von der Oberfläche ausgestoßen werden, die Elektronen, die sich im inneren Teil des Kernels befinden, eilen, um ihren Platz einzunehmen. Daher können wir sagen, dass alle Elektronen des Metallgitters gute Chancen haben, herauszukommen.
@Unnikrishnan: Wenn ich Oberfläche sage, meine ich nicht die Metallschicht, die der äußeren Umgebung ausgesetzt ist. Wir können auch von einer Ebene sprechen, die "nur" daneben liegt. Können wir nun sagen, dass es dieselbe Umgebung haben wird und Photonen es erreichen werden?
Nach der Quantentheorie der Materie besetzen Elektronen in einem Atom diskrete Bindungszustände. Die kernnahen Elektronen sind fest gebunden, die weit entfernten sind locker gebunden. Die Bindungszustandsenergie der Valenzelektronen ist sehr hoch und liegt nahe an Kontinuumswerten. Daher sind sie anfälliger für das oszillierende Potential. Ein Elektron kann also nicht einfach von einem Kern zum anderen springen, wenn ihm nicht die richtige Energie zugeführt wird. Beim photoelektrischen Effekt (einer der vielen Möglichkeiten, wie Materie mit Strahlung interagiert) werden die Valenzelektronen aus der Valenzschale ausgestoßen.
An der Stelle, die die Photoelektronen gerade verlassen haben, herrscht ein Elektronenmangel. Der Kern wird Kraft ausüben; Einige Elektronen (möglicherweise nicht aus dem inneren Kern) werden definitiv kommen, um ihren Platz einzunehmen. Willst du damit sagen, dass sie es nicht tun werden?
Und wie ich bereits erwähnt habe, ist die Energiemenge, die zum Ausstoßen von Photoelektronen benötigt wird, für ein bestimmtes Metall immer gleich, was darauf hindeutet, dass es sich immer um das Elektron im gleichen Energiezustand handelt ...
Oder würden Sie sagen, dass es möglich ist, Photoelektronen mit nahezu null kinetischer Energie zu erhalten, indem Sie energiereichere Photonen verwenden? Ich glaube, dass Sie viele experimentelle Daten ignorieren...

Das Metall hat eine Austrittsarbeit ϕ und verbunden mit ϕ ist eine ganz bestimmte Frequenz, die manchmal als Schwellenfrequenz bezeichnet wird, und wie Sie zweifellos wissen, muss die EM-Strahlung eine Frequenz haben, die größer oder gleich dieser ist, um eine Photoelektronenemission zu verursachen.

Wenn Sie diese Frequenz der EM-Strahlung erhöhen, erhöht sich die Anzahl der aus dem Metall freigesetzten Photonen nicht, da das Licht eins zu eins mit den Elektronen in der Materie interagiert . Das heißt: Nur 1 Photon kann genug Energie liefern, um 1 Elektron freizusetzen. Eine Erhöhung der Frequenz gibt den Elektronen nur mehr kinetische Energie, wenn sie von der Oberfläche des Metalls ausgestoßen werden.

Sie müssten die Intensität der EM-Strahlung erhöhen (vorausgesetzt, ihre Frequenz liegt über der Schwellenfrequenz), um die Anzahl der pro Sekunde freigesetzten Photoelektronen zu erhöhen.

Betrachten Sie ein Elektron. In Situation 1 absorbierte es 3 EV (Zahlen sind zufällig gewählt) Energie von einem bestimmten Photon. Auf seinem Weg aus dem Atom kam es zu Kollisionen. Sagen wir, um diese Kollisionen zu überwinden, muss es 4ev Energie geben. Aber da die Elektronen nicht so viel Energie haben, können sie nicht aus dem Atom herauskommen. In Situation 2 erhöht sich beispielsweise die Frequenz des Lichts, und daher wird mehr Energie auf dieses Elektron übertragen, beispielsweise 5 eV. Jetzt, auf seinem Weg aus dem Atom, wird es genug Energie haben, um sich all diesen Kollisionen zu stellen und herauszukommen. Daher wird es zu einem Photoelektron
@Blue Okay, guter Punkt, ich brauche noch etwas Zeit, um darüber nachzudenken. Wenn ich es nicht herausfinden kann, wird Ihnen hoffentlich jemand anderes eine bessere Antwort geben können als diese.

Die Frage hat eine wirklich einfache konzeptionelle Antwort.

Bei Erhöhung der Frequenz von Photonen nimmt die Energie eines Photons zu. Der photoelektrische Effekt ist ein Phänomen, das nur dann zunimmt, wenn eine große Anzahl von Oberflächenelektronen herausgeschlagen wird, das heißt, eine große Anzahl von Oberflächenelektronen kollidiert mit einfallenden Photonen.

Eine zunehmende Frequenz erhöht die Energie jedes Photons, aber eine zunehmende Intensität erhöht die Anzahl der Photonen. Der photoelektrische Effekt nimmt nur zu, wenn große Elektronen aus der Oberfläche herausgeschlagen werden, was nur durch hohe Lichtintensität geschieht.

Warum ändert sich im Experiment zum photoelektrischen Effekt die Anzahl der Photoelektronen nicht mit zunehmender Frequenz?
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