Zjawisko fotoelektryczne

Zjawisko fotoelektryczne
JeŜeli dwa naelektryzowane róŜnoimiennie elektroskopy
z cynkową płytą…
…oświetlimy lampą ultrafioletową, to wskazanie elektroskopu
naelektryzowanego ujemnie zacznie się zmniejszać. Dlaczego?
Przyczyną jest efekt fotoelektryczny.
fala
elektromagnetyczna
metal
fotoelektron
elektron swobodny
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne
(inaczej efekt fotoelektryczny zewnętrzny)
– zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów
z powierzchni metalu
po naświetleniu go promieniowaniem
elektromagnetycznym (na przykład ultrafioletem) o
odpowiedniej częstotliwości,
zaleŜnej od rodzaju metalu.
Emitowane w ten sposób elektrony nazywa się
fotoelektronami.
Efekt fotoelektryczny zewnętrzny wykorzystano
przy konstrukcji fotokomórki. Jest to szklana bańka, z której
wypompowano powietrze. Wewnątrz fotokomórki znajdują się dwie
metalowe elektrody (fotokatoda i anoda), do których moŜna
podłączyć źródło napięcia.
Jeśli na fotokatodę pada fala elektromagnetyczna o odpowiedniej
częstotliwości, to wybite z niej elektrony są przyciągane przez anodę
i w obwodzie płynie prąd rejestrowany przez mikroamperomierz.
Fotokomórkę moŜna wykorzystać do badania zjawiska
fotoelektrycznego.
Schemat obwodu zawierającego fotokomórkę.
Jak wyjaśnić zjawisko fotoelektryczne?
Sam fakt emisji elektronów moŜna wytłumaczyć
przyjmując, Ŝe światło jest falą:
a) fala elektromagnetyczna przenosi energię,
b) energia ta przekazywana jest elektronom w metalu,
c) dostarczenie energii powoduje zwiększenie prędkości
elektronów i w konsekwencji wybicie z metalu.
Problem:
Jeśli jednak światło jest falą, to prędkość wybijanych
elektronów powinna zaleŜeć od jego natęŜenia,
inaczej mówiąc:
im większe natęŜenie światła, tym więcej tym więcej
energii otrzymują elektrony, a więc powinny być mieć
większą prędkość.
Jeśli fotokatoda nie jest oświetlona, to – pomimo przyłoŜonego
napięcia - w obwodzie nie płynie prąd.
Oświetlenie fotokatody falą o odpowiedniej częstotliwości powoduje
pojawienie się w obwodzie prądu nawet, jeśli napięcie pomiędzy
elektrodami nie występuje.
Elektrony wybijane z fotokatody mają na tyle duŜą energię kinetyczną,
Ŝe dolatują do anody, mimo braku pola elektrycznego.
Wzrost przyłoŜonego napięcia
powoduje nieliniowy wzrost natęŜenia prądu,
aŜ do maksymalnej wartości, tzw. prądu nasycenia.
Zmniejszenie natęŜenia fali wywołującej efekt powoduje zmniejszenie
prądu nasycenia, tzn. ilości wybijanych elektronów.
większe natęŜenie fali
elektromagnetycznej
mniejsze natęŜenie fali
elektromagnetycznej
Wniosek:
NatęŜenie fali wpływa na ilość wybijanych elektronów.
Jeśli częstotliwość fali elektromagnetycznej jest
odpowiednio wysoka, to nawet przy bardzo niskim
natęŜeniu światła efekt zachodzi.
Problem:
PoniŜej pewnej granicznej dla danego metalu
częstotliwości efektu nie moŜna wywołać nawet stosując
źródło światła o wielkim natęŜeniu.
Aby zbadać zaleŜność efektu fotoelektrycznego od częstotliwości fali
moŜna zmienić polaryzację źródła prądu. Powoduje to odwrócenie
pola elektrycznego pomiędzy elektrodami, hamowanie i zawracanie
wybijanych elektronów. Przy pewnym napięciu, nazywanym napięciem
hamowania, pomimo oświetlenia fotokatody falą o odpowiedniej
częstotliwości w obwodzie nie płynie prąd.
Napięcie hamowania nie zaleŜy od natęŜenia prądu.
PoniewaŜ w trakcie hamowania elektronów siły pola elektrycznego
wykonują na nimi pracę (W=qDV=eU), to znaczy, Ŝe praca wykonana
przy napięciu hamowania równa jest maksymalnej energii kinetycznej
wybijanych elektronów (eUh=Ek).
Badając zaleŜność napięcia hamowania od częstotliwości moŜna
stwierdzić, Ŝe energia kinetyczna fotoelektronów zaleŜy wyłącznie
od częstotliwości fali elektromagnetycznej (czyli od barwy światła).
Istnieje równieŜ minimalna częstotliwość fali, dla której zjawisko
fotoelektryczne zaczyna zachodzić.
energia kinetyczna
fotoelektronu
częstotliwość fali
elektromagnetycznej
częstotliwość
minimalna
Dla wszystkich metali zaleŜność ta jest liniowa,
przy czym róŜna jest minimalna częstotliwość.
Wniosek:
Prędkość wybijanych elektronów zaleŜy
od barwy światła (częstotliwości),
a nie od jego natęŜenia.
Jeśli częstotliwość światła jest za mała,
to nawet przy bardzo duŜym natęŜeniu
efekt fotoelektryczny nie wystąpi.
Tej zaleŜności nie moŜna wyjaśnić
zakładając, Ŝe światło jest falą.
1
Jak wyjaśnić efekt fotoelektryczny?
Trzeba przyjąć, Ŝe światło
jest strumieniem cząstek – fotonów,
których energia jest proporcjonalna
do częstotliwości (barwy światła).
E = hν
energia fotonu
stała Plancka h = 6,63 ⋅10 −34 Js
.
częstotliwość fali
elektromagnetycznej
Pojęcie kwantu energii
(porcji energii)
wprowadził w 1900 roku
niemiecki fizyk
Max Planck
Max Karl Ernst Ludwig Planck
(1858-1947)
Wyjaśnienie zjawiska
fotoelektrycznego
podał w 1905 roku
Albert Einstein.
Albert Einstein
(1879-1955)
1. Elektron, aby zostać wybity z metalu, musi posiadać
energię równą co najmniej tzw. pracy wyjścia.
W = hν
Energię taką otrzymuje wtedy, gdy światło ma
odpowiednią częstotliwość i energia fotonów jest
odpowiednio wysoka.
2. Jeśli fotony mają większą energię,
to elektrony nie tylko wydostaną się z metalu
(warunek graniczny),
ale będą teŜ miały
dodatkową energię kinetyczną
2
mv
= hν − W
2
3. Im większe natęŜenie światła, tym więcej fotonów pada
na metal i tym więcej elektronów moŜe zostać
wybitych.
NatęŜenie jednak nie ma wpływu
na energię pojedynczego fotonu,
a więc i energię
jaką foton moŜe przekazać elektronowi.
Wyjaśnienie zjawisk, w których światło zachowuje się jak
fala (np. dyfrakcja, interferencja) i jak strumień
cząstek (np. efekt fotoelektryczny) wymagało przyjęcie
załoŜenia o dwoistej naturze światła – dualizmu
korpuskularno-falowego.
Ta pozorna sprzeczność została wyjaśniona w XX wieku
przez mechanikę kwantową.