Efekt fotoelektryczny

Istnieją dwa rodzaje efektu fotoelektrycznego:

• zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne - omawiane niżej.
• zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne - polegające na emisji dodatkowych nośników prądu wewnątrz ciała fizycznego pod wpływem jego oddziaływania z falą elektromagnetyczną.

Efekt fotoelektryczny lub zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, fotoemisja elektronowa jest to zjawisko emisji elektronów z powierzchni metali pod wpływem światła (fali elektromagnetycznej) o odpowiedniej częstotliwości.

Efekt ten można obserwować i badać za pomocą urządzenia, którego schemat widnieje na poniższej ilustracji. To nic innego jak fotokomórka lub inaczej fotodioda próżniowa.

Do elektrod w fotokomórce zostaje przyłożone napięcie. litera K oznacza katodę, A - anodę. Gdy światło o odpowiedniej częstotliwości pada na katodę, wytrąca z niej elektrony. Te zaś przyspieszają w stronę anody. Im większe napięcie jest przyłożone do elektrod, tym więcej elektronów z katody dociera do anody i tym większy prąd płynie w układzie. Gdy wszystkie elektrony docierają do anody, mówimy wówczas o prądzie nasycenia.

Jeżeli odwrócimy przyłożone napięcie i będziemy naświetlać katodę światłem, elektrony będą emitowane, ale w zależności od przyłożonego napięcia hamowania, będą do anody docierać tylko te elektrony o największej energii. Zwiększając napięcie hamowania możemy doprowadzić do zaniku przepływu prądu w obwodzie. Możemy w ten sposób mierzyć energię elektronów wybijanych z katody.

Eksperyment daje bardzo ciekawe wnioski:

• Energia kinetyczna fotoelektronów zależy od częstości fali elektromagnetycznej. Im większa jest długość fali światła, tym mniejsza jest energia fotoelektronów.
• Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła. Wzrost natężenia światła jedynie zwiększa liczbę wybijanych elektronów, ale ich energia nie zmienia się. Efekt fotoelektryczny nie pojawia się dla niskich częstotliwości fal niezależnie od natężenia padającego światła.

Powyższe wnioski są sprzeczne z fizyką klasyczną. Świadczyły o tym, że światło nie może być falą (dziś wiemy że jest). Dlaczego? Bo zgodnie z przewidywaniami teorii fal energia fotoelektronów powinna zależeć od natężenia światła. Ponadto dla dowolnej częstotliwości światła powinno istnieć odpowiednio silne natężenie światła, które jest w stanie wybić fotoelektrony. A doświadczenie pokazuje, że tak nie jest.

Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego

Światło jest emitowane i absorbowane w małych porcjach. Światło składa się więc z kwantów promieniowania, zwanych fotonami. Fotony poruszają się z prędkością światła, a ich masa spoczynkowa jest zerowa.

Energia fotonu zależy wprost proporcjonalnie od częstotliwości i dana jest wzorem:

gdzie:

E - energia fotonu,

ν - częstotliwość kwantu światła,

λ - długość fali światła,

c - prędkość światła

h - stała Plancka.

Stała Plancka okazuje się jedną z fundamentalnych stałych w fizyce.

Energia pojedynczego fotonu jest bardzo mała. Zwróć uwagę jak bardzo małą wartość ma stała Plancka (to liczba 6 aż po 34 miejscach po przecinku).

Jeżeli foton pada na elektron przy powierzchni katody, może mu przekazać energię. Fotoelektron musi pokonać siły wiążące go w metalu - to tak zwana praca wyjścia W, Pozostała część energii zostaje zamieniona na energię kinetyczną E_k fotoelektronu. Stosując zasadę zachowania energii można napisać, że:

Powyższe równanie to równanie Einsteina dla zjawiska fotoelektrycznego.

Ciekawostki

Nie potrzeba żadnego światła, aby zmierzyć minimalny prąd płynący w układzie fotokomórki. Przyczyna jest fakt, że energia niektórych elektronów jest na tyle duża (energia cieplna, jonizacji)v, że elektron jest w stanie opuścić powierzchnię przewodnika i dotrzeć do anody bez dodatkowej energii w postaci fali elektromagnetycznej. to tak zwany prąd ciemny.

Wykorzystanie efektu fotoelektrycznego

Efekt fotoelektryczny wykorzystuje się w bateriach słonecznych, fotopowielaczach, fotokomórkach, lampach ulicznych, urządzeniach automatyki przemysłowej, t

Inne zagadnienia z tej lekcji

© medianauka.pl, 2020-04-26, A-3759