Zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne
advertisement
ZJAWISKO FOTOELEKTRYCZNE ZEWNĘTRZNE Monika Jazurek Spis treści. 1. Czym jest światło. 2. Zjawisko fotoelektryczne. 3. Budowa i działanie fotokomórki. Dwoista natura światła W zjawisku fotoelektrycznym światło zachowuje się jak zbiór cząsteczek – fotonów, a nie jak fala. Do opisu zjawisk makroskopowych (np. dyfrakcji, interferencji czy polaryzacji światła) odpowiedni jest falowy model światła. Albert Einstein przyjął, że światło, podobnie jak każda inna fala elektromagnetyczna, jest strumieniem cząstek – fotonów. Teoria Einsteina zakłada, że światło o określonej częstotliwości przenosi energię w ściśle określonych porcjach – fotonach. Kwantem nazywamy najmniejszą porcję promieniowania elektromagnetycznego. Energia kwantu jest proporcjonalna do jego częstotliwości E ~ f. E h f hc f – częstotliwość promieniowania λ – długość fali h – stała Plancka h 6,63 1034 J s 4,14 1015 eV s Model efektu fotoelektrycznego. Foton pada na powierzchnię metalu. Wybity elektron (od tej chwili zwany fotoelektronem) oddala się od metalu. Foton oddziałuje („zderza się”) z elektronem walencyjnym wybijając go z powierzchni metalu. Pod wpływem padającego na metal promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej częstotliwości z powierzchni metalu są wybijane (emitowane) elektrony - zwane fotoelektronami. Doświadczenie. Prawa Einsteina opisujące zjawisko są następujące: 1. Maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów Ekmax zależy od energii fotonów światła padającego. E f Ek max W gdzie W - praca wyjścia charakterystyczną dla każdej substancji. Do uwolnienia elektronu potrzebna jest energia W nazwana pracą wyjścia. A więc energia dostarczana przez foton zostaje pochłonięta przez elektron, przy czym część tej energii(W) zostaje zużyta podczas emisji z materiału, natomiast resztę elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej. Równanie Einsteina-Millikana W modelu zjawiska fotoelektrycznego stosujemy zasadę zachowania energii. Zasadę tę formułujemy następująco kwant energii (foton) wywołujący zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne rozdziela się na dwie części: stałą dla danego metalu wartość – W tzw. pracę wyjścia elektronu z powierzchni metalu; Ek energię kinetyczną elektronu. Energia kinetyczna fotoelektronu Praca wyjścia me h f W 2 Energia fotonu 2 Pierwsze prawo mówi, że energia kinetyczna fotoelektronów zależy liniowo od częstości padającego światła oraz że efekt fotoelektryczny zachodzi wtedy, kiedy energia fotonu wystarcza przynajmniej do uwolnienia elektronu ze strefy oddziaływania atomu (czyli dla każdego materiału istnieje pewna częstość progowa, poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi. Częstość tę można obliczyć z warunku Ek 0 hf gr W f gr– częstotliwość graniczna i W f gr h Częstotliwość graniczna – najmniejsza częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego, przy której zachodzi efekt fotoelektryczny. 2.Liczba wybijanych fotoelektronów jest proporcjonalna do liczby fotonów padającego światła. Z drugiego prawa wynika, ze natężenie fotoprądu jest proporcjonalne do natężenia światła. Fotoprąd – prąd elektryczny wywołany zjawiskiem fotoelektrycznym Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne dotyczy półprzewodników. Zjawisko to jest podstawą działania fotoogniw i fotorezystorów, a wykorzystywane do zasilania kalkulatorów, satelitów i układów sterujących pracą telewizora za pomocą pilota. Ilościowe badanie zjawiska fotoelektrycznego pozwala na sformułowanie jego empirycznych praw tego zjawiska: 1. Dla każdego metalu istnieje najniższa częstotliwość światła (największa długość fali), poniżej której zjawisko nie zachodzi. 2. Ilość wybijanych z powierzchni metalu elektronów jest proporcjonalna do natężenia światła padającego na powierzchnię. 3. Energia kinetyczna wybijanych z powierzchni metalu elektronów nie zależy od natężenia światła, lecz od jego częstotliwości. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne zostało wykorzystane do konstrukcji fotokomórki. Jest to lampa próżniowa, która ma dwie elektrody. Jedną z nich jest katoda K pokryta metalem o małej pracy wyjścia elektronów. Drugą elektrodą jest anoda A. A K Układ z Wykorzystaniem Fotokomórki Jeżeli na fotokomórkę ŚWIATŁO światło nie pada, to prąd przez fotokomórkę nie płynie, niezależnie od przyłożonego napięcia. A K mA Jeżeli katodę oświetlimy, to przez fotokomórkę zaczyna płynąć prąd elektryczny, nawet wtedy, gdy napięcie przyłożone do fotokomórki wynosi zero. Elektrony te biegną w próżni do anody. Kierunek przepływu prądu Podsumowanie Foton przekazuje elektronowi metalu swą energię tylko w całości. Jeżeli energia dostarczona elektronowi przez foton (hf) jest większa od pracy wyjścia to elektron zostanie uwolniony z metalu i uzyskuje energię kinetyczną.
