Eszkola

Efekt fotoelektryczny

Przydatne kalkulatory i narzędzia

Zjawisko polegające na wybijaniu przez padające promieniowanie elektronów z powierzchni ciała nazywane jest efektem fotoelektrycznym zewnętrznym. Opis zjawiska pochodzi z prac Einsteina, który został za to uhonorowany Nagrodą Nobla w 1921 r.

Rozważmy promieniowanie o częstotliwości \(f\) padające na ciało stałe. Kwant takiego promieniowania ma energię \(E\), określaną
\(E=h\cdot f\)

gdzie \(h=6.63\cdot 10^{-34} [J\cdot s]\) jest stałą Plancka.

Kwant takiego promieniowania - foton - przekazuje tę energię podczas zderzenia elektronowi, który jej część wykorzystuje na ucieczkę z atomu - jest to praca wyjścia \(W\) zależna od materiału, a resztę energii wykorzystuje jako energię kinetyczną \(E_k\). Można zapisać zatem:

\(h\cdot f = W + E_k\) lub bezpośrednio powiązać z prędkością \(v\) elektronu (o masie \(m_e\) po opuszczeniu materiału) korzystając z wyrażenia na energię kinetyczną:

\(h\cdot f = W +\dfrac{m_e \cdot v^2}{2}\)
co pokazuje, że prędkość elektronu jest zależna od częstotliwości padającego promieniowania.

Ze względu na konieczność ucieczki z atomu, najmniejsza możliwa energia jaką musi mieć kwant promieniowania, by efekt zachodził, jest równa pracy wyjścia. Istnieje zatem graniczna częstotliwość \(f_0\) promieniowania, poniżej której zjawisko nie występuje:
\(f_0=\dfrac{W}{h}\)

Praca wyjścia ma zwykle wartość kilku eV (aluminium - 4.1 eV, wolfram 4.5 eV).

Prowadzi to do istotnych obserwacji, które można wyjaśnić korpuskularną (cząsteczkową) teorią materii. Wzrost natężenia światła nie powoduje wzrostu prędkości fotoelektronów, ponieważ zwiększeniu ulega ilość fotonów, a nie ich energia. Dla światła o częstotliwości poniżej granicznej zjawisko nie zachodzi, bez względu na natężenie promieniowania.

Jeżeli między płytką, z której wybijany jest elektron a elektrodą będzie panowało napięcie \(U\), to będzie można obserwować przepływ prądu fotoelektrycznego w obwodzie, którego fragmentem jest opisany układ płytka-elektroda. Natężenie prądu fotoelektrycznego będzie osiągać wartość maksymalną, gdy wszystkie wybijane elektrony będą docierać do elektrody. Manipulując napięciem w obwodzie zaobserwuje się, że dla zerowego napięcia prąd nadal płynie - świadczy to o niezerowej energii kinetycznej wybijanych elektronów. Dopiero przyłożenie napięcia \(U_h\), by hamowało elektrony spowoduje zatrzymanie przepływu prądu. Wartość napięcia hamowania \(U_h\) jest określana

\(U_h=\dfrac{E_k}{q}\)

Zjawisko fotoelektryczne jest przykładem korpuskularnego zachowania się światła (innym przykładem jest zjawisko Comptona). Znana jest też falowa natura światła w interferencji czy dyfrakcji. Można zatem stwierdzić, że światło ma naturę dualną - w części zjawisk zachowuje się jak zbiór cząstek, a w części jak fala.

Zjawisko fotoelektryczne ma szerokie zastosowanie. Wykorzystuje się je  m.in. w bateriach słonecznych, fotodiodach czy innych elementach światłoczułych.

Może Ci się przydać: