Efekt fotoelektryczny.pdf

Efekt fotoelektryczny

Efekt fotoelektryczny ( zjawisko fotoelektryczne , fotoefekt ) – zjawisko fizyczne

polegające na

1. emisji elektronów z powierzchni przedmiotu ( zjawisko fotoelektryczne zwane również

zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym dla odróżnienia od wewnętrznego);

2. na przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi

(tzw. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne ), w wyniku naświetlania promieniowaniem

elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości,

zależnej od rodzaju przedmiotu.

Emitowane w zjawisku fotoelektrycznym elektrony nazywa się czasem fotoelektronami .

Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła a jedynie od jego

częstotliwości. Gdy oświetlanym ośrodkiem jest gaz, zachodzi zjawisko fotojonizacji .

Odkrycie i wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju

korpuskularno-falowej teorii materii, w której obiektom mikroświata przypisywane są

jednocześnie własności falowe i materialne (korpuskularne). Wyjaśnienie i matematyczny

opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który w 1905 roku

wykorzystał hipotezę kwantó w wysuniętą przez Maxa Plancka w 1900 roku.

Historia odkrycia

Doświadczenie Hertza z cewką

W roku 1887 Hertz opublikował wyniki swych badań nad przeskokiem iskier w iskrowniku

cewki odbierającej fale elektromagnetyczne. Zbudowany przez niego odbiornik fal składał

się z obręczy i cewki zapłonowej – ilekroć odbiornik rejestrował fale elektromagnetyczne, na

cewce przeskakiwała iskra. Hertz umieścił swe urządzenie w ciemnym pudle, by iskra była

lepiej widoczna i zaobserwował, że spowodowało to osłabienie iskry. Okazało się, że szyba

izolująca źródło fal i odbiornik pochłaniała promieniowanie ultrafioletowe , które

towarzyszyło przeskokowi elektronów w szczelinie cewki. Zastąpienie szkła kwarce m nie

powodowało zmniejszenia iskry, gdyż kwarc nie pochłania promieniowania ultrafioletowego.

Hertz nie analizował dalej zaobserwowanego przez siebie zjawiska i ograniczył się do

publikacji swych wyników.

Thomson i odkrycie elektronu

W roku 1899 Thomson badał promieniowanie ultrafioletowe powstające w lampi e

katodowej. Zainspirowany pracami Maxwella stwierdził, że promienie katodowe są

strumieniem ujemnie naładowanych cząstek, które nazwał korpuskułami , a które dziś

znamy jako elektron y. Odwracając eksperyment Thomson umieścił metalową blaszkę

(katodę) w rurze próżniowej i wystawił ją na promieniowanie o wysokiej częstotliwości.

Zmienne pole elektromagnetyczne powodowało powstawanie w metalu prądu o natężeniu

zależnym od natężenia i barwy światła jakim naświetlał rurę.

Efekt fotoelektryczny

Obserwacje von Lenarda

Trzy lata później, w roku 1902 , Philipp von Lenard stwierdził zależność między energią

emitowanych elektronów, a intensywnością światła padającego na powierzchnię. Lenard

używał mocnego światła łukowego, dzięki któremu mógł w dużym zakresie regulować jego

natężenie i częstotliwość. Zmieniał także napięcie między płytką emitującą (katodą) a

odbierającą elektrony. Zauważył, że powyżej pewnej wartości dodatniego napięcia

przyłożonego do płytki zanika prąd emisji, przy czym napięcie to zależy wyłącznie od

częstotliwości padającego światła, a nie jego natężenia. Przykładając napięcie ujemne

obserwował początkowo wzrost prądu przy zwiększaniu napięcia, później natężenie prądu

nie rosło. Maksymalne natężenie prądu zależało od natężenia oświetlenia. Jego

eksperymenty dostarczały zbyt mało danych ilościowych, by na ich podstawie móc wyjaśnić

obserwowany fenomen. Doświadczenie opracowane przez Leonarda wzbudziło

zainteresowanie zjawiskiem.

Einstein i hipoteza kwantów

Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego jest niemożliwe na gruncie fizyki klasycznej

( elektrodynamiki klasycznej) zakładającej, że światło jest falą elektromagnetyczną –

należałoby raczej oczekiwać, że energia fotoelektronów zależy od natężenia fali świetlnej.

Zjawisko zostało wyjaśnione w roku 1905 przez Alberta Einsteina opierającego się na

założeniach mechaniki kwantowej. Tym samym zjawisko fotoelektryczne, obok efektu

Comptona, stało się kluczowym dowodem na kwantową naturę światła.

Objaśnienie zjawiska

Zaproponowane przez Alberta Einsteina

wyjaśnienie zjawiska i jego opis

matematyczny oparte jest na założeniu, że

energia wiązki światła pochłaniana jest w

postaci porcji ( kwantó w) równych ,

gdzie h jest stałą Plancka a oznacza

częstotliwość fali. Kwant promieniowania

pochłaniany jest przy tym w całości.

Einstein założył dalej, że usunięcie

elektronu z powierzchni metalu (substancji)

wymaga pewnej pracy zwanej prac ą

wyjścia , która jest wielkością

charakteryzującą daną substancję (stałą materiałową). Pozostała energia unoszona jest

przez emitowany elektron. Z tych rozważań wynika wzór:

gdzie:

• h – stała Plancka ;

• ν – częstotliwość padającego fotonu;

• W – praca wyjścia ;

• E k – maksymalna energia kinetyczna emitowanych elektronów.

Hipoteza kwantów wyjaśnia, dlaczego energia fotoelektronów jest zależna od częstości

światła oraz, że poniżej pewnej częstotliwości światła, zjawisko fotoelektryczne nie

Efekt fotoelektryczny

zachodzi. Einstein opublikował swoją pracę, w której wyjaśnił zjawisko fotoelektryczne, w

Annalen der Physik w 1905 r.

Otrzymane równanie zostało potwierdzone doświadczalnie przez Millikana. Millikan był

zagorzałym przeciwnikiem koncepcji Einsteina i przez 10 lat eksperymentował próbując ją

obalić. Paradoksalnie, jego doświadczenia stały się koronnym dowodem słuszności

kwantowej natury światła. Co więcej, precyzyjne pomiary Millikana umożliwiły bardzo

dokładne wyznaczenie stałej Plancka. Równanie opisujące zależności energetyczne w

fotoefekcie nazywane bywa równaniem Millikana-Einsteina.

Za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego Albert Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę

Nobla .

Idea kwantu energii została zapożyczona przez Einsteina z prac Plancka dotyczących

wyjaśnienia zjawiska promieniowania ciała doskonale czarnego.

Odstępstwa od powyższego opisu

1.Światło zazwyczaj oddziałuje z elektronami znajdującymi się na powierzchni katody, ale

niektóre fotony mogą wnikać głębiej. Wówczas uwolniony elektron, zanim opuści katodę,

może wytracić część energii na zderzenia wewnątrz katody.

2. W przypadku bardzo dużych natężeń światła spójnego (z lasera) mogą zachodzić procesy

wielofotonowe, co oznacza, że jeden elektron może zaabsorbować energię kilku fotonów.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne

W efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym energia fotonu też jest całkowicie pochłaniana

przez elektron. Ale elektron nie jest uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku

fotoelektrycznym zewnętrznym. Elektron po uzyskaniu dodatkowej energii przenosi się do

pasma przewodnictwa zmieniając tym samym własności elektryczne materiału. Zjawisko to

zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma

wzbronionego (odległość energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem

przewodnictwa).

Zastosowania

Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w fotokomórkac h, bateriach

słonecznych, fotopowielacz ach, noktowizor ach, elementach CCD w aparatach cyfrowych,

fotodiodac h itd. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do

wytwarzania prądu elektrycznego i generowania ładunku, którego ilość można zmierzyć.

Efekt fotoelektryczny

Article Sources and Contributors

Efekt fotoelektryczny Source : http://pl.wikipedia.org/w/index.php?oldid=17148190 Contributors : 4C, Beau, Brk, Byczek1, Gang65, Gknor, Kakaz,

Maquina, Margoz, MeusH, Mpfiz, NH2501, PawełMM, Pimke, Polimerek, RManka, Radsquad, Rogra, Selena von Eichendorf, Simek, Stepa, Stok,

Tescobar, Tio, WojciechSwiderski, 25 anonimowe edycje

Efekt fotoelektryczny

Źródła, licencje i autorzy grafiki

Plik:Photoelectric effect.png Source : http://pl.wikipedia.org/w/index.php?title=Plik:Photoelectric_effect.png License : GNU Free Documentation

License Contributors : User:Feitscherg

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: