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