Физика

за сваког по нешто

Фотоелектрични ефекат

Преузми Word документ

Појава да неки метали емитују електроне са своје површине док су под утицајем светлосних зракова названа је фотоефекат, а електрицитет који се добија на тај начин, фотоелектрицитет.

Ову појаву је први запазио Херц (1887.). Он је приметио да се између две електроде од цинка, које су повезане са Румкорфовим индуктором, прескаче електрична варница при знатно нижем напону ако се негативно наелектрисана електрода озрачи ултраљубичастим зрацима. Истраживања су показала да неки други метали (алкални – литијум, натријум, калијум, рубидијум, цезијум; земноалкални – берилијум, магнезијум, калцијум, стронцијум, баријум) емитују електроне и то кад се озраче видљивом светлошћу. Врло мали број супстанци емитује електроне под утицајем инфрацрвеног зрачења.

Да би електрон напустио метал, он мора да прими енергију да би могао да изврши рад против електричне силе којом га привлаче позитивни јони из кристалне решетке. Минимална енергија коју треба да прими електрон да би напустио површину метала једнака је излазном раду. Излазни рад зависи од хемијског састава метала и чистоће његове површине. Излазни рад за већину метала износи неколико електронволти (не више од 10eV).

Електрони избачени из метала помоћу светлости називају се фотоелектрони.

Уређај за експериментално испитивање фотоефекта:

  • галванометар (G) – мери јачине електричне струје
  • волтметар (V) – мери потенцијалну разлику (напон)  између аноде и катоде
  • потенциометар (променљиви отпорник) – користи се за промену напона између аноде и катоде

Светлосни сноп је усмерен на катоду (фотокатода). Електрони, које емитује катода (К), крећу се под дејством електричног поља према аноди (А). Тако се у колу успоставља електрична струја (фотоелектрична струја).

Зависност електричне струје I од напона U између електрода при сталном интензитету светлости која пада на катоду:

Са графика се види да фотоелектрична струја веома брзо достиже максималну вредност (при неком релативно малом напону). При том напону сви емитовани електрони долазе до аноде. Ова струја се назива струја засићења (Iz). Струја засићења представља број електрона које катода емитује у јединице времена.

Даљим повећавањем напона између електрода не мења се јачина електричне струје.

Напомена: Број емитованих електрона зависи од интензитета светлости. Пошто је интензитет светлости константан, константан је и број број емитованих електрона у јединици времена. Број избачених електрона се не мења при повећању напона између електрода.

При напону U=0 фотоелектрична струја није једнака нули, јер катода емитује електроне са неком почетном брзином па известан број електрона доспева до аноде.

Губитком електрона метал (катода) постаје позитивно наелектрисан. Одласком све већег броја електрона, метал постаје све више позитивно наелектрисан, због чега све јачом силом привлачи електроне.  Кад напон толико порасте, да се сви електрони враћају назад, значи да је достигао своју максималну вредност. Та гранична вредност напона је названа – закочни напон Uz. При овом напону ниједан од електрона не доспева до аноде. Тада се комплетна кинетичка енергија емитованих електрона једнака раду електричног поља:

\frac{m_{e}v^{2}}{2}=eU_{z}

me – маса електрона

v – брзина електрона

e – наелектрисање електрона (елементарно наелектрисање )

Uz – закочни напон

v=\sqrt{\frac{2eU_{z}}{m_{e}}}

На основу ове формуле се види да мерењем закочног напона, може да се одреди брзина (пошто су остале величине познате).

У истраживању фотоелектричног ефекта значајни су експерименти на основу којих је Ленард 1902. године утврдио да брзина којом електрони напуштају површину метала, не зависи од интензитета упадне светлости, већ само од њене фреквенције односно таласне дужине. Брзина електрона је утолико већа уколико је упадна светлост краћих таласа.

Ова чињеница не може да се објасни класичном теоријом, јер према њој би требало да брзина електрона, односно њихова енергија зависи од интензитета упадне светлости, тако да електрони имају све већу брзину, уколико је већи интензитет упадне светлости. Експерименти показују да се повећањем интензитета упадне светлости повећава само број избачених електрона са површине метала док њихова брзина остаје непромењена. На основу класичне теорије није могло да се објасни ни зашто се повећава и број и брзина електрона када на метал делује светлост краћих таласа односно веће фреквенције.

Експериментима је утврђено да фотоелектрични ефекат може да настане само када на метал делује светлост одређене минималне фреквенције, односно максималне таласне дужине, која је за различите метале различита. Значи да би до фотоелектричног ефекта дошло фреквенција светлости мора да буде већа од неке одређене фреквенције – гранична фреквенција (таласна дужина треба да буде мања од неке одређене таласне дужине – гранична таласна дужина).

Ова чињеница да за сваки метал постоји одређена гранична вредност фреквенције упадне светлости испод које не може да наступи појава фотоелектричног ефекта, без обзира на интензитет светлости, није могла да се објасни класичном теоријом. Није било јасно, зашто светлост и најслабијег интензитета, чија је фреквенција изнад граничне вредности, изазива фотоефекат, док светлост испод те границе не изазива фотоефекат без обзира коликог интензитета била.

 

Ајнштајнова једначина фотоефекта

Експериментално је утврђено да:

  • јачина струје засићења зависи од интензитета светлости (при повећању интензитета светлости расте и струја засићења)
  • не постоји минимални интензитет светлости при којем се дешава фотоефекат, него постоји минимална фреквенција светлости (фотоефекат започиње само при одређеној минималној фреквенцији односно максималној таласној дужини названој  црвена граница фотоефекта)
  • закочни напон не зависи од интензитета светлости већ зависи од фреквенције
  • фотоефекат се дешава тренутно (у временском интервалу мањем од 10-4 секунди након што се осветли катода)

Класична теорија није могла да објасни експериментално добијене податке. Према класичној теорији, светлост произвољне фреквенције (таласне дужине) која има довољан интензитет може да изазове фотоелектрични ефекат. При томе би и брзина емитованих електрона требало да расте са повећањем интензитета светлости, што је било у супротности са експериментима.

Проблем је решио Ајнштајн, проширујући Планкову претпоставку. За објашњење фотоефекта била је довољна претпоставка да се електромагнетно зрачење апсорбује у квантима. Ајнштајн је отишао још даље, претпостављајући да се светлост и простире у облику кванта светлости – фотона. Значи и светлост је квантна појава. Према Ајнштајну сваки квант светлости или фотон има енергију која износи:

E=hf=h\frac{c}{\lambda}

На основу ове формуле се види да је енергија фотона већа уколико светлост има већу фреквенцију, односно краћу таласну дужину.

Ајнштајново објашњење фотоелектричног ефекта:

Енергија сваког апсорбованог фотона који падне на плочу троши се излазни рад и кинетичку енергију емитованог електрона.

hf=A_{i}+\frac{m_{e}v^{2}}{2}

Ова формула представља Ајнштајнову једначину фотоефекта.

где је:

hf – енергија фотона

A_{i} – излазни рад

\frac{m_{e}v^{2}}{2} – кинетичка енергија емитованог електрона

Слагање Ајнштајнове једначине са експерименталним подацима:

  • ако је већи интензитет светлости, већи је број кванта енергије, па се већи број електрона избаци у јединици времена – струја засићења је сразмерна интензитету светлости
  • постојање минималне фреквенције при којој долази до фотоефекта – црвена граница фотоефекта:

(Светлост чија је енергија фотона једнака излазном раду електрона из метала још увек може изазвати фотоефекат, али у том случају електрони потроше сву енергију добијену од фотона на излазак из катоде, па се по изласку из метала зауставе јер им ништа не преостане за кинетичку енергију. Оваква светлост се назива црвена граница за фотоефекат. Светлост веће таласне дужине нема довољну енергију фотона да би изазвала фотоефекат, док светлост краће таласне дужине изазива фотоефекат.)

\frac{m_{e}v^{2}}{2}=0           hf_{0}=A_{i}

f_{0}=\frac{A_{i}}{h}

\lambda_{0}=\frac{{c}}{f_{0}}     \lambda_{0}=\frac{{hc}}{A_{i}}

таласна дужина – црвена граница фотоефекта

Закочни напон је одређен максималном кинетичком енергијом

\frac{m_{e}v^{2}}{2}=eU_{z}

пошто је: hf=A_{i}+\frac{m_{e}v^{2}}{2}

добија се: U_{z}=\frac{{h}}{e}f-\frac{A_{i}}{e}

            одакле се види да закочни напон зависи само од фреквенције

 

Енергија избачених електрона зависи само од фреквенције светлости, док од интензитета светлости зависи само број избачених електрона. Зрачења малих фреквенција имају фотоне чија енергија је мања од енергије везе електрона у металу, па се повећањем интензитета такве светлости само повећава само број таквих фотона који неуспешно покушавају да доведу до емисије електрона.

 

ФОТОЕЛЕКТРИЧНИ ЕФЕКАТ

Кликни и започни

 

 

 

Примене и врсте фотоелектричног ефекта

Можемо да разликујемо три врсте фотоефекта:

  • спољашњи фотоефекат
  • унутрашњи фотоефекат
  • фотоефекат у коме фотон инерагује са електронима у атому

Појава избацивања електрона из метала представља спољашњи фотоефекат. Ова врста фотоефекта се примењује у фотоћелијама. У фотоћелијама се светлосни импулси претварају у електричне импулсе. Употребљавају се у аутоматизованој производњи, у уређајима за аутомастко отварање и затврање врата, у алармним уређајима, за мерење интензитета светлости…

Појава у којој електрон не напушта материјал, већ само прелази у стање у коме постаје лако покретанпод дејством спољашњих електричних поља назива се унутрашњи фотоефекат. Пошто електрон не напушта материјал, за ову врсту фотоефекта су потребне мање енергије фотона. Поред видљиве светлости може да се користи и инфрацрвено зрачење. Користи се при конструкцији фотоелемената односно соларних ћелија, сензора слике (CCD) у дигиталним фотоапаратима и камерама…

Фотон може да интерагује и са електронима који су везани у атому. Да би се такав електрон ослободио из атома потребни су фотони са већим енергијама (веће од дестеак eV). У овим процесима могу да учествују само фотони далеког ултраљубичастог, Х и гама зрачења. Овај процес може да се користи за детекцију високоенергетских зрачења.

 

 


Додатак:

 

 

Планкова теорија зрачења Маса и импулс фотона. Притисак светлости