Warum bewegen sich Elektronen im Photoelektrischen-Effekt-Experiment zur Anode?

Sie haben angenommen, dass die Photoelektronen zufällig in alle Richtungen verteilt werden. Diese Annahme widerspricht dem Energieerhaltungssatz und dem Impulserhaltungssatz.

Die einfallende Strahlung von Quelle S hat Impuls und Energie, die erhalten bleiben müssen. Wenn die einfallende Strahlung auf die Kathodenoberfläche trifft, wird ein Teil der Energie und des Impulses über das gesamte Metallgitter im Mittel nach innen und entgegengesetzt zum normalen Winkel mit einer Energie der Austrittsarbeit verteilt. Die Zugkräfte in der Metallgitterstruktur sorgen für diese gleichmäßige Verteilung und die Energie wird in Wärme umgewandelt. Die verbleibende Energie muss in einem Winkel reflektiert werden, der Impuls und Energie erhält. Diese reflektierte Energie und Impuls wird von den Photoelektronen getragen.

In Ihrem Diagramm werden also tatsächlich keine Elektronen nach links emittiert. Tatsächlich sind Fotoröhren im Allgemeinen mit einer gekrümmten Kathodenoberfläche konstruiert, so dass die Fotoelektronen reflektiert und in Richtung der Anode fokussiert werden.

Es sollte auch beachtet werden, dass, wenn Photoelektronen in alle Richtungen gestreut würden, wir einen Aufbau einer positiven elektrischen Nettoladung am Ort der Erzeugung von Photoelektronen hätten. Elektronen müssten hereinkommen, um diesen Mangel von irgendwoher zu ersetzen, aber das wäre widersprüchlich. Das elektrische Feld zeigt entweder auf diesen Punkt zu oder von diesem weg, und die durchschnittliche Elektronendrift wird durch dieses elektrische Feld bestimmt. Es kann nicht beides gleichzeitig sein.

In Wirklichkeit wandern die Photoelektronen zur Anode und die Kathodenleitung liefert einen Elektronenstrom, um die erzeugten Löcher zu ersetzen. Und so fließt auch bei Potentiometer auf 0 V ein Strom durch Röhre, Kommutator und Amperemeter.

Der einfache photoelektrische Effekt ist hier

Die Elektronen erscheinen wie eine elastische Streuung. Es gibt keine rückwärtigen, da sie von der Metalloberfläche absorbiert werden. Elektronen im Vakuum, die sich in eine Richtung bewegen, sind per Definition von Strom ein Strom. Wie bei allen Streuexperimenten mit Licht trifft ein Strahl auf die Kathode. In einer lichtempfindlichen Kathode wird ein Teil der Photonen, die den Strahl bilden, anstatt elastisch im Streuwinkel zu streuen und den klassischen Strahl in Richtung des Streuwinkels wieder aufzubauen, ein Elektron extrahieren.

Bei der Teilchenstreuung gibt es eine Wahrscheinlichkeit dafür, dass sich die Elektronen in alle Richtungen befinden, aber es gibt einen Winkel mit höherer Wahrscheinlichkeit, dem die Mehrheit der gestreuten Elektronen folgt. Somit haben die Photoelektronen eine dominante Richtung. Diejenigen, die in das Metallgitter zurückkehren, neutralisieren sich mit dem Loch, das sie hinterlassen haben, als sie sich zerstreut haben. Diejenigen, die die Oberfläche verlassen, hinterlassen ein Loch, wie bei einem normalen Stromfluss. Das ist für Gammastrahlen, aber sie sind schließlich Photonen. Für niedrige Energien gibt es Studien, die auch eine Vorzugsrichtung angeben.

In Ihrem Aufbau gilt dasselbe, es sind die Elektronen, die von der Oberfläche der Kathode abprallen und auf die Anode treffen, es erscheint ein Strom. Wenn das Licht an ist, gibt es kein Vakuum, weil Elektronen den Strom tragen. Unabhängig davon, ob ein Spannungsabfall vorliegt oder nicht, ist die Geometrie der Lichtstreuung an der Kathode dieselbe. Durch Anlegen einer Spannung kann der Effekt abgebildet werden.

Die Elektronen starten an der Kathode. Wenn sie ins Vakuum gehen und dann direkt zurück zur Kathode, nun, da haben sie angefangen, also ist der Nettoeffekt, dass nichts passiert ist . Diese Elektronen tragen Null zum Strom bei. Sie gleichen die Elektronen nicht aus , die zur Kathode -> Vakuum -> Anode gehen.

Die einzige Möglichkeit, die Elektronen auszugleichen, die zur Kathode -> Vakuum -> Anode gehen, besteht darin, andere Elektronen zu haben, die in der Anode beginnen und zur Anode -> Vakuum -> Kathode gehen. Letzteres gibt es aber nicht, weil kein Licht auf die Anode scheint.

(UPDATE: Die Frage wurde bearbeitet, um darauf hinzuweisen, dass Elektronen auch aus der Anode ins Vakuum kommen, obwohl kein Licht auf die Anode scheint. OK, es ist wahr, dass kein Licht erforderlich ist, um Elektronen herauszuholen - es gibt solche ein Ding wie " Feldemission ".", und sogar Feldemission bei niedrigem oder Nullpotential für bestimmte Anodenmaterialien (z. B. Diamant kann eine negative Elektronenaffinität haben). Und die Anzahl der Elektronen, die die Anode verlassen, ist nicht buchstäblich Null, sondern viel, viel, viel geringer als die Anzahl der Elektronen, die die Anode verlassen Kathode. Die Idee in der Fragebearbeitung, dh dass Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf die Kathode treffen und diese Geschwindigkeit durch den Draht beibehalten und dann aus der Anode herausfliegen, ist sehr falsch. Ein Elektron in einem Draht erfährt so etwas wie Reibung und verliert seine hohe Geschwindigkeit wahrscheinlich innerhalb von Nanometern. Wie auch immer, wenn Sie denken, dass Elektronen die dunkle Anode genauso häufig verlassen sollten wie die beleuchtete Kathode (sie tun es nicht), sollten Sie vielleicht eine neue Frage schreiben, in der Sie sagen, warum Sie das denken. Es ist ein bisschen weit von Ihrer ursprünglichen Frage. Ich denke, Sie erhalten auf diese Weise bessere Antworten.)

Nach deiner Bearbeitung bin ich verwirrt. Also ersetze ich meine ursprüngliche Antwort durch eine Klärungsfrage.

Aus Ihrer Beschreibung geht hervor, dass Sie nicht die in Ihrem Bild gezeigte Situation betrachten, sondern die unten gezeigte symmetrische Situation: Anstatt die "Platten" als Kathode und Anode zu bezeichnen, habe ich Emitter verwendet$E$und Sammler$C_1$Und$C_2$. Außerdem habe ich jede Platte geerdet, so dass wir nur die in Ihrer Frage beschriebene Situation diskutieren.

Nun, alle Punkte, die Sie erwähnen, machen Sinn:

• Die Hälfte der Elektronen bewegt sich nach links und die andere Hälfte nach rechts.
• Zwischen den beiden Kollektoren darf kein Potentialunterschied bestehen$C_1$Und$C_2$. Dies gilt jedoch nicht für den Emitter und einen der Kollektoren. Um dies zu sehen, entfernen Sie einfach den Boden von allen Platten.
  1. Zunächst (=vor dem Einschalten des Lichts) alle drei Platten$E, C_1, C_2$wird nicht geändert.
  2. Wenn wir das Licht einschalten, werden Elektronen vom Emitter emittiert$E$und wird von den beiden Sammlern eingesammelt$C_1, C_2$. Daher sammeln sich an den beiden Kollektoren negative Ladungen an$C_1, C_2$, während der Emitter ein negatives Ladungsdefizit aufbaut .
  3. Unter der Annahme, dass kein anderer Strom als die freien Elektronen von oder zu den drei Platten fließt, wird der Prozess schließlich aufgrund des Aufbaus eines elektrischen Potentials gestoppt. Es wird ein Gleichgewichtszustand erreicht. Wichtig: Da zwischen den drei Platten keine Verbindung besteht, verändern wir die Ladungsverteilung nicht. Wir erfassen lediglich die Information, welches Kennzeichen wie geladen wird.

Nun könnten wir die Potentialdifferenz zwischen den drei Platten messen und daraus schließen, dass Strom nur vom Emitter (=Anode) zu den Kollektoren (Kathode) fließt.

EDIT: Um die Konfiguration der ursprünglichen Frage zu erhalten, müssen wir die Platte weglassen$C_2$. Das ändert nichts an der Rolle von Emitter und Sammler: dem Sammler$C_1$sammelt immer noch Elektronen (wodurch die Kathode wird) und den Emitter$E$"spendet" immer noch Elektronen (und wird dadurch zur Anode).

Beschreibt diese Situation Ihre eigentliche Frage oder übersehe ich sie komplett?