Zjawisko fotoelektryczne Na czym polega zjawisko fotoelektryczne zewntrzne

Zjawisko fotoelektryczne

• Na czym polega zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne? • Wyjaśnienie zjawiska przez Alberta Einsteina. • Wykorzystanie zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego. • Zasada działania i wykorzystanie fotokomórki.

Zjawisko fotoelektryczne polega na uwalnianiu, pod wpływem światła, elektronów z powierzchni substancji. Zjawisko to odkrył H. Hertz w 1887 r.

Źródło światła wysyła światło monochromatyczne. Wewnątrz bańki promieniowanie pada na katodę wybijając z katody elektrony (zwane fotoelektronami) zbierane przez anodę. Układ elektryczny mierzy natężenie prądu w zależności od napięcia U.

Przy dostatecznie dużym U prąd osiąga stan nasycenia, czyli wszystkie emitowane elektrony docierają do anody. Natężenie prądu fotoelektrycznego jest równe zeru dopiero po przyłożeniu napięcia hamującego Uh (nawet najszybszy elektron nie dotrze do anody).

Napięcie hamujące jest niezależne od natężenia światła padającego, natomiast natężenie prądu nasycenia jest wprost proporcjonalne do natężenia światła padającego (liczba wybitych elektronów wzrasta)

Napięcie hamowania Uh zależy liniowo od częstotliwości padającego światła. Istnieje ściśle określona częstotliwość, poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi (częstotliwość progowa)

W 1905 r. Einstein zakwestionował słuszność klasycznej teorii światła i zaproponował nową teorię (nagroda Nobla 1921 rok). Założył, że energia jest skwantowana, a mianowicie skoncentrowana w oddzielnych porcjach (kwantach światła), które później nazwane zostały fotonami.

• Energia "zawarta" w fotonie związana jest z jego częstotliwością zależnością • Emitowany lub pochłonięty może być cały kwant energii. • Jeden foton padającego światła absorbowany jest przez jeden fotolelektron katody. • Częstotliwość progowa. Jeżeli fotolelektron posiada energię kinetyczną równą zero to: , czyli padający foton o tej częstotliwości ma energię wystarczającą tylko na wydostanie się elektronu z metalu. • Elektrony wybijające są to tzw. elektrony przewodnictwa - elektrony swobodne. • Energia charakterystyczna dla danego metalu, zwana pracą wyjścia, jest minimalną energią potrzebną elektronowi na pokonanie sił przyciągania wiążących go wewnątrz metalu, przekroczenie powierzchni i wydobycie się na zewnątrz.

Wzór Einsteina – Millikana (Nobel w 1923) Energia całkowita fotoelektronu • gdzie: W - praca przejścia potrzebna do uwolnienia fotoelektronu z metalu (siły przyciągania, zderzenia).

Brak zależności maksymalnej energii kinetycznej od natężenia światła. Zwiększanie natężenia światła zwiększa jedynie liczbę fotonów, a więc także prąd elektryczny. Nie zmienia zaś energii hv pojedynczych fotonów. Istnienie częstotliwości progowej. Jeśli częstotliwość zostanie zmniejszona poniżej , to pojedyncze fotony (niezależnie od ich liczby, a więc od natężenia światła) nie będą miały energii wystarczającej do uwolnienia elektronu. Brak opóźnienia czasowego emisji elektronów. Energia skoncentrowana jest w porcjach, a nie rozłożona na całej powierzchni. Jeśli na płytkę pada światło nawet o małym natężeniu, to przynajmniej jeden foton zostanie zaabsorbowany przez elektron i uwolni go.

Liniowa zależność napięcia hamującego U 0 od częstotliwości v

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, 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).

Wykorzystanie zjawiska fotoelektrycznego w: fotokomórkach bateriach słonecznych fotopowielaczach noktowizorach elementach CCD w aparatach cyfrowych fotodiodach

Fotokomórka Katoda fotokomórki oświetlana jest wiązką światła laserowego o długości fali 330 nm. Charakterystykę prądowo-napięciową tej fotokomórki przedstawiono poniżej na wykresie. Korzystając z wykresu oblicz (w dżulach) pracę wyjścia elektronów z katody fotokomórki.

Praca wyjścia elektronów z molibdenu wynosi W. Jaka będzie maksymalna prędkość elektronów wylatujących z powierzchni molibdenu, po oświetleniu jej promieniowaniem o długości fali l.