Почему электроны движутся к аноду в эксперименте с фотоэлектрическим эффектом?

Рассмотрим установку для экспериментов с фотоэлектрическим эффектом, показанную на рис. 11.1.

Рисунок 11.1

Изменение фототока в зависимости от напряжения, приложенного к А и С как показано на рисунке 11.3.

Рисунок 11.3

Мой вопрос -

Почему ток не равен нулю, даже если напряжение равно нулю?

Рассмотрим ситуацию, когда напряжение на пластинах равно нулю. Фотоны достаточной частоты падают на крайнюю поверхность катода, пластины эмиттера. С . Электроны освобождаются от притяжения ядра, поскольку их чистая энергия становится положительной.

Почему я считаю, что не должно быть чистого тока?

Как только фотоны попадают на самую внешнюю поверхность катода (предполагается, что 1 к 10 толщиной с атомный диаметр), электроны становятся свободными. Теперь, когда у электронов есть кинетическая энергия, они выйдут из этой внешней поверхности. Теперь электроны (с кинетической энергией) должны иметь равную вероятность двигаться во всех направлениях поверхности. Таким образом, примерно половина электронов должна идти в правильном направлении к аноду и ударять по нему, а половина должна идти влево, пытаясь проникнуть во внутренние поверхности катодной пластины.

Теперь электроны, которые пойдут вправо, столкнутся с некоторым полем из-за объемного заряда, присутствующего в трубке, но, тем не менее, некоторые электроны обязательно достигнут анодной пластины. После того, как они ударятся об анодную пластину, они столкнутся с некоторым сопротивлением, но все же некоторые электроны достигнут медных проводов с низким сопротивлением, соединенных с анодной пластиной и миллиамперметром.

Теперь рассмотрим электроны, которые движутся влево. Они определенно столкнутся с сопротивлением катодной пластины, но некоторые все же достигнут медного провода.

Теперь, поскольку нет никакой разности потенциалов между А и С , нет необходимости в коммутаторе и вольтметре. Итак, амперметр соединен последовательно с анодными и катодными пластинами медными проводами.

Теперь, если в цепи есть установившийся ток, электроны, эмитированные в любую из сторон, должны доминировать над другой. Но количество электронов, испускаемых с обеих сторон, одинаково, и все электроны должны встречать одинаковое сопротивление, так как ток (электроны) должен течь по замкнутому контуру. Но если количество и скорость электронов, приходящих с обеих сторон, одинаковы, то не должно быть чистого тока. Но есть. Почему?

Редактировать -

Из ответов anna v и mmainville видно, что испускание электронов зависит от угла испускания света. Но все же остается вопрос. Если электроны, эмитированные к аноду, имеют достаточно энергии, чтобы замкнуть цепь и снова достичь отверстий в катоде, несмотря на сопротивление между ними, электроны, эмитированные влево, должны иметь достаточно энергии, чтобы прийти к анодной пластине по медным проводам и снова вылететь через анод. пластины за счет своей кинетической энергии и достигают катодной пластины. В этом случае ток тоже должен быть равен нулю, что неверно. Почему?

Я не уверен, что это ответ на ваш вопрос, но металл ионизируется падающим излучением. Свободные электроны, движущиеся влево, ударяются о металл и поглощаются им, т. е. происходит обратный процесс ионизации, энергия излучается, а тока нет.
@Virft Сопротивление С и провода не бесконечны. Итак, да, некоторая энергия будет рассеиваться в виде тепла, но, тем не менее, будет течь электрический заряд. Кроме того, после удара электронов им тоже придется столкнуться с сопротивлением, чтобы замкнуть цепь.
"а есть. Почему" Потому что электроны, ушедшие в отрицательную полусферу рассеяния, в решетку катода, передают свой импульс всей решетке катода ( hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/ band.html ) и попадают на уровень Ферми катода и нейтрализуют заряд. Ток не генерируется, потому что нет движения электронов вне катода. Электроны, рассеянные катодом, становятся пучком заряженных частиц, по определению ток, попадающий на анод, регистрируется как дополнительный заряд.
уравновешивается положительным зарядом катода, оставшимся от извлечения электронов с уровня Ферми. в обратном направлении без извлечения заряда, в прямом направлении извлекаются электроны
Я до сих пор не могу понять, почему электроны не могут выйти из катодной пластины к медным проводам слева. Катодная пластина будет ловить электроны на уровне Ферми, но не ускользнет ли часть электронов? Как можно гарантировать, что положительный заряд, созданный на внешней поверхности, будет полностью нейтрализован электронами, движущимися влево?
Все происходит на поверхности. Электроны, выброшенные с поверхности под углом обратного рассеяния, снова попадая на нее, соединятся с дырой, которую они оставили на поверхности после удара фотона. Только те, которые идут к аноду (а конструкция анода имеет такую ​​форму, чтобы принимать их), оставляют положительное отверстие, которое может быть заполнено только электронами, отталкиваемыми от анода по всей цепи к катоду.
Они не могут вернуться через вакуум, так как в их дырке недостаточно энергии притяжения. Кинетическая энергия фотоэлектрона последовательно толкает серию электронов по цепи нормального тока. Дополнительный альтернативный вид: дыра, оставленная успешным электроном на аноде, притягивает электроны из-за себя, и притяжение проходит через цепь до анода.

Ответы (4)

Вы сделали предположение, что фотоэлектроны будут случайным образом распределены во всех направлениях. Это предположение противоречит закону сохранения энергии и закону сохранения импульса.

Приходящее излучение от источника S имеет импульс и энергию, которые необходимо сохранять. При попадании входящего излучения на поверхность катода часть энергии и импульса распределяется по всей решетке металла в среднем внутрь и под углом, противоположным нормали, с энергией работы выхода. Силы растяжения в структуре металлической решетки обеспечивают это равномерное распределение, а энергия преобразуется в тепло. Оставшаяся энергия должна отражаться под некоторым углом, сохраняющим импульс и энергию. Эта отраженная энергия и импульс переносятся фотоэлектронами.

Итак, на вашей диаграмме электронов, испускаемых слева, на самом деле нет. На самом деле, фототрубки обычно имеют изогнутую поверхность катода, так что фотоэлектроны отражаются и фокусируются на аноде.

Следует также отметить, что если бы фотоэлектроны рассеивались во всех направлениях, то у нас возникло бы накопление чистого положительного электрического заряда в месте образования фотоэлектронов. Электроны должны были бы откуда-то восполнить этот дефицит, но это было бы непоследовательно. Электрическое поле либо направлено к этой точке, либо от нее, и средний дрейф электронов будет определяться этим электрическим полем. Не может быть и того, и другого одновременно.

На самом деле фотоэлектроны движутся к аноду, а вывод катода обеспечивает поток электронов, чтобы заменить созданные дырки. Таким образом, у вас есть ток, протекающий через трубку, коммутатор и амперметр, даже если потенциометр установлен на 0 В.

Означает ли это, что ток будет зависеть от угла падения излучения?
Да, это так. Если вы посмотрите на изображения современных фотоэлектронных трубок и особенно фотоумножителей, то увидите, что у них есть фокусирующие пластины, помогающие обеспечить попадание отраженного фотолуча на анод. В противном случае КПД фотоэлемента будет намного меньше, а фотоэлектрический эффект очень трудно измерить.
Я снова отредактировал вопрос. Пожалуйста, посмотрите это.
Влево не вылетают электроны. Энергия, которая распределяется влево, представляет собой рабочую энергию, которая эквивалентна количеству энергии, необходимому для освобождения фотоэлектронов (испускаемых вправо) от их границ. Энергия работы распределяется влево в основном в виде тепла. Отверстия в катодной решетке создаются из высвобожденных электронов, которые создают электрическое поле, вытягивающее электроны из анода в катод через медную проводку. Электронный поток в обратном направлении должен преодолеть это электрическое поле.

Простой фотоэлектрический эффект здесь

фотоэль

Электроны появляются как упругий рассеяние. Обратных нет, потому что они поглощаются металлической поверхностью. Электроны в вакууме, движущиеся в одном направлении, являются током по определению тока. Как и во всех экспериментах по рассеянию света, на катод попадает луч. В светочувствительном катоде часть фотонов, составляющих пучок, вместо того, чтобы упруго рассеиваться в направлении угла рассеяния и перестраивать классический пучок в направлении угла рассеяния, будет извлекать электрон.

При рассеянии частиц существует вероятность того, что электроны будут двигаться во всех направлениях, но есть угол с более высокой вероятностью, которому следует большинство рассеянных электронов. Таким образом, фотоэлектроны имеют доминирующее направление. Те, что войдут обратно в металлическую решетку, нейтрализуются дырой, которую они оставили, когда рассеялись. Те, что покинут поверхность, оставят после себя дыру, как при нормальном течении тока. Это для гамма-лучей, но они, в конце концов, фотоны. Для низких энергий имеются исследования, которые также дают предпочтительное направление.

угол фото с электроном

В вашей установке то же самое, электроны отскакивают от поверхности катода и ударяются об анод, появляется ток. Когда горит свет, вакуума нет, потому что электроны переносят ток. Независимо от того, есть падение напряжения или нет, геометрия рассеяния света катодом одинакова. Применение напряжения позволяет отображать эффект.

Я думаю, что ток измеряет амперметр. Электроны, испускаемые с обеих сторон, испытывают одинаковое сопротивление, и, поскольку количество электронов и их скорости, испускаемые с обеих сторон, одинаковы, амперметр не должен регистрировать ток.
Нет, сторона, смотрящая на вакуум, не имеет сопротивления. Электроны улетают полукруговыми пулями. Те, что назад, поглощаются, те, что попадают на анод, создают продолжение тока на вашем участке.
Чтобы замкнуть цепь, электроны, столкнувшиеся с анодом, должны снова достичь катода, как показано на рис. 11.1. В замкнутой цепи ток везде одинаков и все электроны должны испытывать одинаковое сопротивление.
это макроскопический вид, пожалуйста, прочитайте hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html . см . physics.stackexchange.com/questions/123456/… Вакуум имеет бесконечное сопротивление, поэтому не подпадает под классический закон V = I / R, когда есть электронный пучок. Вы понимаете, что фотоэлектрический эффект является одним из столпов, на которых держится открытие квантовой механики? другой - излучение черного тела. Фотоэффект генерирует пучок электронов, который попадает на анод и замыкает вакуумную цепь с бесконечным сопротивлением.
. Если бы не было фотонов, не было бы и тока, какой бы ни была разность потенциалов от других элементов цепи.
Извините, что снова беспокою вас, но я отредактировал вопрос. Пожалуйста, посмотрите это.
Я снова отредактировал вопрос. Пожалуйста, посмотрите это.

Электроны стартуют на катоде. Если они уйдут в вакуум, а затем вернутся обратно к катоду, то с этого они и начали, так что в итоге ничего не произошло . Эти электроны вносят нулевой вклад в ток. Они не уравновешивают электроны, которые идут катод --> вакуум --> анод.

Единственный способ уравновесить электроны, которые идут катод --> вакуум --> анод, состоит в том, чтобы иметь другие электроны, которые начинаются в аноде и идут анодом --> вакуумом --> катодом. Но последнего не существует, потому что на анод не падает свет.

(ОБНОВЛЕНИЕ: вопрос был отредактирован, чтобы предположить, что электроны также выходят из анода в вакуум, даже если на аноде не светит свет. Хорошо, это правда, что свет не требуется, чтобы вывести электроны --- есть такое такая штука как " автоэмиссионное", и даже полевая эмиссия при низком или нулевом потенциале для определенных материалов анода (например, алмаз может иметь отрицательное сродство к электрону). И число электронов, выходящих из анода, не буквально равно нулю, просто намного, намного меньше, чем число электронов, выходящих из анода. Катод. Идея в редакции вопроса, то есть, что электроны ударяются о катод с большой скоростью, и поддерживают эту скорость через провод, а затем вылетают из анода, очень неверна. Электрон в проводе испытывает что-то вроде трения, и теряет свою высокую скорость, вероятно, в пределах нанометров.В любом случае, если вы думаете, что электроны должны выходить из темного анода так же часто, как из освещенного катода (они этого не делают), возможно, вам следует написать новый вопрос, объясняющий, почему вы так думаете.Это довольно далеко из вашего исходного вопроса. Я думаю, что таким образом вы получите лучшие ответы.)

Не будут ли электроны, которые идут катод --> вакуум --> анод, снова идти к катоду через проводящие провода и уравновешивать положительный заряд, созданный на катоде?
Примечание. Я не отрицал ответ.
@ApoorvPotnis - Да! Электроны, которые идут катод -> вакуум -> анод, затем проходят через амперметр обратно к катоду, чтобы восстановить баланс заряда. В то время как электроны, которые идут катод --> вакуум --> катод, вообще не проходят через амперметр . «Вообще не проходить через амперметр» сильно отличается от «прохождения через амперметр в противоположном направлении», что требуется для обнуления измерения чистого тока амперметра.
Я снова отредактировал вопрос. Пожалуйста, посмотрите это.

После вашего редактирования я в замешательстве. Поэтому я заменяю свой первоначальный ответ уточняющим вопросом.

Из вашего описания видно, что вы рассматриваете не ситуацию, показанную на вашем рисунке, а скорее симметричную ситуацию, показанную ниже: введите описание изображения здесьвместо того, чтобы маркировать «пластины» как катод и анод, я использовал эмиттер. Е и коллекционер С 1 и С 2 . Более того, я заземлил каждую пластину, чтобы мы обсуждали только ситуацию, описанную в вашем вопросе.

Теперь все пункты, которые вы упомянули, имеют смысл:

  • Половина электронов движется влево, а половина вправо.
  • Между двумя коллекторами не должно быть разности потенциалов. С 1 и С 2 . Однако это неверно для эмиттера и одного из коллекторов. Чтобы убедиться в этом, достаточно снять землю со всех пластин.
    1. Изначально (=перед включением света) все три пластины Е , С 1 , С 2 останется без изменений.
    2. Если мы включим свет, эмиттер испустит электроны. Е и будет собран двумя коллекционерами С 1 , С 2 . Следовательно, на двух коллекторах будут накапливаться отрицательные заряды. С 1 , С 2 , а эмиттер создаст дефицит отрицательного заряда .
    3. Если предположить, что никакой ток , кроме свободных электронов, не течет от трех пластин или к ним, процесс в конечном итоге остановится из-за накопления электрического потенциала. Достигнуто состояние равновесия. Важно: поскольку между тремя пластинами нет связи, мы не меняем распределение заряда. Мы просто фиксируем информацию, какая пластина как заряжается.

Теперь мы можем измерить разность потенциалов между тремя пластинами и сделать вывод, что ток будет течь только от эмиттера (= анода) к коллекторам (катоду).

РЕДАКТИРОВАТЬ: Чтобы получить конфигурацию исходного вопроса, мы должны опустить табличку С 2 . Это не меняет роли эмиттера и коллектора: коллектор С 1 по-прежнему накапливает электроны (тем самым становясь катодом) и эмиттером Е по-прежнему «отдает» электроны (тем самым становясь анодом).

Описывает ли эта ситуация ваш фактический вопрос, или я полностью его упускаю?

Да. Диаграмма описывает то, что я хочу сказать. Но вы сменили аппарат. Мне нужно объяснение тока, зарегистрированного амперметром на рисунке 11.1.
Я поменял аппарат, так как ваш не описывает ситуацию, которую я описываю выше. Поэтому я не понимаю вашего комментария, но это может быть, потому что я не понял ваш первоначальный вопрос. Надеюсь, что другой может помочь вам.
Кстати, как вы создали эту схему?
Я снова отредактировал вопрос. Пожалуйста, посмотрите это.
Почему электроны движутся к аноду в эксперименте с фотоэлектрическим эффектом?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v