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 
hc

f – częstotliwość promieniowania
λ – długość fali
h – stała Plancka
h  6,63 1034 J  s  4,14 1015 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.
Download
Random flashcards
Create flashcards