Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na emisji elektronów z powierzchni metalu pod wpływem padającego światła (promieniowania elektromagnetycznego). Efektu fotoelektrycznego nie można wytłumaczyć w oparciu o falową teorię światła, gdyż wyniki doświadczeń przeczą tej teorii. Mianowicie:

1. Energia kinetyczna uwolnionych elektronów nie zależy od natężenia fali, tylko od jej częstotliwości. Zgodnie z teorią falową energia przenoszona przez światło jest wprost proporcjonalna do kwadratu amplitudy fali, zatem wzrost natężenia światła powinien powodować przekazanie elektronom większej ilości energii – to jednak w zjawisku fotoelektrycznym się nie dzieje. Wzrost natężenia światła powoduje jedynie zwiększenie liczby uwolnionych elektronów.

2. Zgodnie z teorią falową zjawisko fotoelektryczne powinno występować dla każdej częstotliwości światła. Warunkiem jego wystąpienia powinno być jedynie wystarczająco duże natężenie światła, pozwalające elektronom upuszczenie powierzchni metalu. Jednak wyniki doświadczeń pokazują, że w zjawisku fotoelektrycznym istnieje pewna graniczna częstotliwość fali poniżej której zjawisko nie zachodzi.

3. Zjawisko fotoelektryczne zachodzi w sposób natychmiastowy. Przeczy to teorii falowej, gdyż nie obserwuje się tu żadnego magazynowania energii wewnątrz metalu.

Zjawisko fotoelektryczne zostało wyjaśnione w 1905 roku przez Alberta Einsteina (nagroda Nobla w 1921 roku), który założył, że światło ma naturę korpuskularną i rozchodzi się w pewnych porcjach, zwanych fotonami. Energia niesiona przez pojedynczy foton jest proporcjonalna jedynie do częstotliwości światła i wyraża się wzorem:

E _{f} =h\nu 
gdzie: h = 6,63•10-34J•s – stała Plancka, υ – częstotliwość światła.

Ad.1. Wzrost natężenia światła powoduje jedynie zwiększenie się liczby fotonów i tym samym wzrost liczby oddziaływań pomiędzy cząsteczkami światła a elektronami. Jednak energia obydwu cząstek nie może ulec zmianie, gdyż nie zmienia się częstotliwość fali.

Ad.2. Aby zabrać elektron z powierzchni metalu, należy dostarczyć mu pewną ilość energii, która nazywana jest pracą wyjścia elektronu z metalu, która jest wielkością stałą dla danego metalu. Jeżeli energia niesiona przez foton będzie mniejsza od wartości pracy wyjścia, to zjawisko nie zajdzie. Zwiększanie częstotliwości promieniowania padającego na metal, powoduje zwiększenie się energii kinetycznej uwolnionych elektronów.

Ad.3. Oddziaływanie pomiędzy fotonem, a uwięzionym w metalu elektronem można sobie wyobrazić jak oddziaływanie pomiędzy bilami do gry w bilard. Jeżeli foton ma wystarczająco dużą częstotliwość, by pokonać pracę wyjścia, to zjawisko zajdzie natychmiast. Jeżeli natomiast częstotliwość fotonu jest zbyt mała, to zjawisko fotoelektryczne nie zajdzie w ogóle.
Zjawisko fotoelektrektryczne zewnętrzne - obraz

Źródło: Monika Pilch

Na rysunku przedstawiono proces przekazywania energii przez foton uwięzionym w metalu elektronom. Energia fotonu (Ef) zostaje najpierw zamieniona na pokonanie pracy wyjścia (W), a następnie ewentualną nadwyżkę energii otrzymują elektrony w postaci energii kinetycznej (Ek). Bilans energetyczny zjawiska fotoelektrycznego ma więc postać:

E _{f} =W+E _{k}
 
Energia fotonu oraz energia kinetyczna elektronu są odpowiednio równe:

E _{f} =h\nu 

E _{k}  = \frac{m _{e}v ^{2}  }{2} , więc zasadę zachowania energii dla fotoefektu można również wyrazić:

h\nu=W+ \frac{m _{e}v ^{2}  }{2}   - jest to tzw. równanie Einsteina-Millikana.

gdzie: me = 9,1•10-31kg – masa elektronu, v – prędkość elektronu.

Zjawisko fotoelektryczne – przykład.

Praca wyjścia elektronu z platyny wynosi 9•10-19J. Na powierzchnię tego metalu pada foton o długości fali 150nm. Jaka jest maksymalna szybkość wybitych elektronów?

Dane:                                           Szukane:
W =  9•10-19J                                    v = ?
λ = 150nm = 150•10-9m
me = 9,1•10-31kg
h = 6,63•10-34J•s
c = 3•108m/s – prędkość światła w próżni

Rozwiązanie:

h\nu=W+ \frac{m _{e}v ^{2}  }{2}
 
Ponieważ  \nu= \frac{c}{ \lambda } , to:

 \frac{hc}{ \lambda } =W+ \frac{m _{e} v ^{2} }{2}
 
Po prostych przekształceniach otrzymamy:

v= \sqrt{ \frac{2}{m _{e}\left( \frac{hc}{ \lambda } -W\right) } }

v= \sqrt{ \frac{2}{9,1 \cdot 10 ^{-31}kg }\left( \frac{6,63 \cdot 10 ^{-34} J \cdot s \cdot 3 \cdot 10 ^{8} \frac{m}{s}  }{150 \cdot 10 ^{-9}m }-9 \cdot 10 ^{-19}J\right)   }

v \approx 0,9 \cdot 10 ^{6}  \frac{m}{s}

Polecamy również:

  • Fotokomórka

    Fotokomórka jest urządzeniem, które działa w oparciu o zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Zbudowana jest ona ze szklanej bańki (próżniowej lub wypełnionej gazem), której jedna połowa jest pokryta metalem o stosunkowo małej wartości pracy wyjścia (katoda), a naprzeciw niej znajduje się... Więcej »

Komentarze (4)
Wynik działania 3 + 4 =
friza
2020-03-16 10:02:15
enauczanie wole oglodac friza
Slax
2019-11-11 10:59:31
@dobry fizyk Natężenie fali to ilość energii przypadająca na jednostkę powierzchni czołowej fali. Coś w rodzaju gęstości energii. Gdzie tu widzisz powierzchnię w tym zjawisku? Może masz na myśli przekrój elektronu "trafionego" fotonem?!
dobry fizyk
2019-03-28 08:35:19
Energia kinetyczna uwolnionych elektronów właśnie zależy od natężenia fali, poniewaz odnosi sie do okresu fali ktory to odwołuje sie natężenia. Autor powinien poprawic tekst ://
Adam
2019-03-28 08:32:37
superancko :D
Ostatnio komentowane
xdxd jestem taka sigma ze to szok pyr jala
• 2024-04-17 09:06:00
xd
• 2024-04-16 17:58:56
@Mariola - dziękujemy za zwrócenie uwagi, wpis został poprawiony. Pozdrawiamy :)
• 2024-04-16 07:36:55
Co za wstyd pomyśleć, że ja nie istnieje.
• 2024-04-12 15:30:23
supier
• 2024-04-11 18:27:13