Efekt fotoelektryczny
Transkrypt
Efekt fotoelektryczny
Wykład I 2015-10-29 1 Efekt fotoelektryczny Hertz 1887 - 𝑬 Q=0 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Aby elektron mógł opuścić metal należy dostarczyć mu pewną minimalną wartość energii którą nazywamy pracą wyjścia. Energia ta może być uzyskana np. poprzez absorpcję energii fali elektromagnetycznej. Dla większości metali wartość pracy wyjścia jest bliska 4 eV. 2015-10-29 2 Fotokomórka 2015-10-29 3 Charakterystyka I-V i I2 > I 1 I1 VAK V0 • Natężenie fotoprądu jest • Napięcie hamowania (V0) proporcjonalne do zależy od częstotliwości natężenia światła fali • Napięcie hamowania (V0) nie zależy od natężenia oświetlenia 2015-10-29 4 Właściwości fotoefektu • Elektrony emitowane są jedynie pod wpływem „oświetlenia” falą o częstotliwości większej od pewnej minimalnej zwanej długofalową granicą fotoefektu • Maksymalna wartość energii kinetycznej emitowanych elektronów jest liniowo zależna od częstotliwości fali, nie zależy jednak od natężenia oświetlenia • Elektrony emitowane są natychmiast 2015-10-29 5 Fala elektromagnetyczna 𝒗 Płaska fala monochromatyczna elektromagnetyczna W próżni W ośrodku 𝑣 = 𝑐 = 3 ∙ 108 𝑚/𝑠 𝑐 𝑣= 𝑛 Natężenie oświetlenia: strumień promieniowania (moc ) na jednostkę powierzchni 2015-10-29 6 Widmo fal elektromagnetycznych Próżnia 𝑐 λ0 = 𝑓 2015-10-29 Ośrodek o współczynniku załamania n 𝑣 𝑐 λ0 λ= = = 𝑓 𝑓𝑛 𝑓 7 Efekt fotoelektryczny Przewidywania modelu falowego: • Dla odpowiednio dużego natężenia oświetlenia fale elektromagnetyczna o dowolnej długości powinna wywołać fotoefekt. Własność nie obserowana • Maksymalna energia kinetyczna elektronów powinna zależeć jedynie od natężenia oświetlenia, a nie od częstotliwości padającej fali. Własność nie obserowana 2015-10-29 8 Teoria Plancka • Energia promieniowania elektromagnetycznego jest emitowana i absorbowana w postaci dyskretnych pakietów – kwantów energii, nazwanych potem fotonami. Energia fotonu: E hf 𝒉 = 𝟔. 𝟔𝟑 ∙ 𝟏𝟎−𝟑𝟒 - stała Plancka 2015-10-29 9 Efekt fotoelektryczny • Fala elektromagnetyczna o częstotliwości f jest strumieniem fotonów, z których każdy posiada energię E=hf • Równanie opisujące efekt fotoelektryczny hf A Kmax Nobel 1921 2015-10-29 gdzie A – praca wyjścia elektronu, Kmax – maksymalna energia kinetyczna elektronów 10 Efekt fotoelektryczny hf A K max • W wyniku absorpcji fotonu, elektron uzyskuje energię E=hf. Jeżeli energia ta jest większa od pracy wyjścia A, elektron może opuścić powierzchnię katody. Jeśli dotrze do anody w układzie płynie prąd. • Wraz ze wzrostem natężenia oświetlenia powierzchni katody ( tzn. wzrostem ilości fotonów padających w jednostce czasu na jednostkę powierzchni katody) rośnie ilość elektronów emitowanych z powierzchni, a tym samym natężenie prądu nasycenia. 2015-10-29 11 Efekt fotoelektryczny 𝒉𝒇 = 𝑲𝒎𝒂𝒙 + 𝑨 𝑲𝒎𝒂𝒙 = 𝒉𝒇 − 𝑨 • Maksymalna energia kinetyczna elektronów jest proporcjonalna do częstotliwości fali • Fotoefekt występuje dla fali o częstotliwości powyżej pewnej granicznej, zależnej od rodzaju fotokatody (pracy wyjścia) 𝒉𝒇𝒈𝒓 > 𝑨 • Zauważmy, że z ekstrapolacji wykresu Kmax=f(f) do przecięcia z osią Kmax można wyznaczyć pracę wyjścia 2015-10-29 12 Efekt fotoelektryczny 𝑲𝒎𝒂𝒙 = 𝒉𝒇 − 𝑨 • Różnicę energii pomiędzy energią fotonu a pracą wyjścia elektron unosi w postaci energii kinetycznej. Maksymalna energia kinetyczna zależy liniowo od częstotliwości fali. Aby zahamować elektron potrzebne jest napięcie, tym większe im większa jest częstotliwość fali. 𝒆𝑽𝟎 = 𝑲𝒎𝒂𝒙 • Napięcie hamowania nie zależy od natężenia oświetlenia 2015-10-29 13 Efekt fotoelektryczny • Potwierdzenie teorii Einsteina – Millikan 1915 • Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – fotoprzewodnictwo 2015-10-29 14