efectul fotoelectric extern

Efectul fotoelectric

extern

Heinrich Hertz, în 1887, a constatat că descărcarea electrică dintre două sfere se produce mai uşor dacă are loc în prezenţa luminii ultraviolete.

Wilhelm Hallwachs, în 1888 constată că placa de zinc pusă la un electroscop şi supusă acţiunii radiaţiilor ultraviolete:

►se descarcă dacă iniţial era încărcată negativ

►se încarcă pozitiv dacă iniţial era neutră

+++

Zn UV

Electroscop

Din acest experiment Hallwachs a tras concluzia că sub acţiunea radiaţiilor ultraviolete placa de zinc emite particule încărcate negativ numite electroni

http://www.youtube.com/watch?v=WO38qVDGgqw

►rămâne încăcată pozitiv, dacă iniţial era încărcată pozitiv, dar foiţa electroscopului deviază mai mult

+++

+++

Emisia electronilor de către un corp aflat sub acţiunea radiaţiilor electromagnetice se numeşte efect fotoelectric extern

http://www.lpscience.fatcow.com/mgagnon/Photoelectric_Effect/photoelectriceffect1.htm

http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric

Efectul fotoelectric a fost studiat experimental de Phillip Lenard, iar în 1905 primeşte premiul Nobel pentru descoperirea legilor efectului fotoelectric.

Dispozitivul Dispozitivul experimentalexperimental

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

Schema electricăSchema electrică

e -A

V

arc electric

filtru

tub de sticlă

AC

- +

R

Caracteristica Caracteristica curent-tensiunecurent-tensiuneMenţinând constante frecvenţa şi fluxul radiaţiilor, intensitatea curentului

variază cu tensiunea electrică aplicată între electrozi

I

I0

US

U

IS

0

►dacă tensiunea între electrozi este zero, curentul fotoelectric este diferit de zero I = I0 , deoarece cei mai rapizi electroni ajung la anod►dacă între electrozi se aplică o tensiune legând borna pozitivă a bateriei la anod şi borna negativă la catod, intensitatea curentului creşte odată cu tensiunea. Când toţi electronii emişi ajung la anod se obţine curentul de saturaţie IS

►dacă între electrozi se aplică o tensiune legând borna pozitivă a bateriei la catod şi borna negativă la anod, intensitatea curentului scade odată cu tensiunea şi devine zero pentru tensiunea de stopare USSC eUE max,

Legile efectului Legile efectului fotoelectricfotoelectric

Prima lege a efectului fotoelectric:

Intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie este direct proporţională cu fluxul radiaţiilor electromagnetice incidente, când frecvenţa este constantă

Se trimite pe catod, pe rând,fascicule de radiaţii de aceeaşi frecvenţă şi fluxuri Φ1, Φ2, Φ3 , apoi se construieşte caracteristica curent - tensiune

I

U

US

IS 1

IS 2

IS 3

I

II

III

Φ3 > Φ2 > Φ1

Se modifică frecvenţa radiaţiilor incidente schimbând filtrul , se măsoară pentru fiecare frecvenţă, tensiunea de stopare US şi se calculează energia cinetică maximă pentru orice valoare a fluxului incident

A doua lege a efectului fotoelectric:

0

ECmax

Energia cinetică maximă a fotoelectronilor emişi creşte liniar cu frecvenţa radiaţiilor şi nu depinde de fluxul acestora

I

U

roşu

galben

violet

US 1US 2US 3

1

2

3

Se repetă experimentul pentru catozi din materiale diferite

01 02 03 04

ECmax

K Na Zn W

A treia lege a efectului fotoelectric:

Efectul fotoelectric extern se poate produce numai dacă frecvenţa radiaţiei incidente este mai mare sau cel puţin egală cu o valoare specifică fiecărei substanţe, numită frecvenţă de prag

A patra lege a efectului fotoelectric:

Efectul fotoelectric extern se produce practic instantaneu

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

Efectul fotoelectric a fost explicat de Einstein în 1905, cu ajutorul teoriei cuantelor.

Einstein primeşte premiul Nobel pentru fizică în 1921, pentru explicarea efectului fotoelectric.

Energia unei cuante:

E = h

h = 6,625 · 10 -34 Js, constanta lui Planck

- frecvenţa radiaţiei

Mărimi Mărimi caracteristice caracteristice

fotonuluifotonului

Mărimea caracteristică Formula matematică

Energia E = h

Masa de repaus m0 = 0

Masa de mişcare 2c

hm

Viteza v = c = 3 ·108 m/s

Impulsul h

c

hp

Sarcina electrică q = 0

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

Explicarea legilor Explicarea legilor Einstein consideră că în efectul fotoelectric un foton incident este absorbit de un electron din interiorul corpului, căruia îi cedează întreaga sa energie

Ecuaţia lui Einstein:

2

2mvLh

h - energia fotonului incident

L – lucrul mecanic de extracţie necesar extragerii electronului din corp

Aplicând legea conservării energiei se obţine:

- energia cinetică a fotoelectronului extras2

2mv

Legea întâi:

Creşterea fluxului radiaţiilor monocromatice incidente are loc atunci când creşte numărul fotonilor incidenţi. Mărirea numărului de fotoni conduce la creşterea numărului de electroni extraşi şi, implicit la creşterea intensităţii curentului fotoelectric de saturaţie

Legea a doua: Din ecuaţia lui Einstein: Lhmv

2

2

adică energia cinetică a electronilor extraşi variază liniar cu frecvenţa radiaţiilor incidente

Legea a treia:Dacă frecvenţa radiaţiilor incidente scade atunci scade energia fotonilor incidenţi, micşorându-se şi energia cinetică a fotoelectronilor emişi

Pentru o frecvenţă 0 (frecvenţă de prag) energia cinetică fotoelectronilor

este nulă, iar lucrul mecanic de extracţie este: L = h0

Pentru frecvenţa < 0 efectul fotoelectric nu mai este posibil

Legea a patra:

Interacţiunea dintre un foton şi un electron producându-se într-un interval de timp neglijabil 10-9 s, efectul fotoelectric se produce aproape instantaneu

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

Aplicaţiile efectului Aplicaţiile efectului fotoelectricfotoelectric

Celula fotoelectricăCelula fotoelectrică

filtruanod circular

sursă de lumină

catod

Părţi componente

tub de sticlă

anod catod

tub de sticlă

Aplicaţiile celulei Aplicaţiile celulei fotoelectricefotoelectriceBariere optice

Dispozitive de protecţie optoelectrice pentru monitorizarea accesului în zone periculoase

Senzori de lumină pentru deschiderea şi închiderea automată a uşilor şi copertinei

Senzori de lumină pentru deschiderea şi închiderea automată a luminii

Senzori de lumină pentru recunoaşterea obiectelor

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

Fotomultiplicatorul Fotomultiplicatorul

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

lumina incidentă

fotocatod

traiectoria fotoelectronilor

dinode anod

multiplicarea electronilor

electrod de focalizare

Părţi componentePărţi componente

http://www.youtube.com/watch?v=-fH2zPiilsw

Prof. Elena Răducanu, Colegiul Naţional Bănăţean,Timişoara

fotocatoddinode anod

bateriedivizor de tensiune

electrod de focalizare

fereastră

anodfotocatod

dinodefotoelectroni

foton

fereastră

Schema electricăSchema electrică

Detector de scintilaţii cu Detector de scintilaţii cu fotomultiplicatorfotomultiplicator

foton γfotomultiplicator

cristal scintilator

Scintilaţia (foton din domeniul vizibil)

e-

http://www.youtube.com/watch?v=v5h3h2E4z2Q

www.youtube.com/watch?v=0qKrOF-gJZ4

Fotomultiplicatorul detectează radiaţii de intensitate foarte mică

Bibliografie Bibliografie D. Ciobotaru, T. Angelescu s.a – Manual de fizică , clasa a XII-a, Editura Didactică şi pedagogică

Gabriela Cone – Manual de fizică , clasa a XII-a, Editura E+

w.w.w.google ro/ images

http://www.youtube.com/watch?v=WO38qVDGgqw

http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric

http://www.lpscience.fatcow.com/mgagnon/Photoelectric_Effect/photoelectriceffect1.htm

http://www.youtube.com/watch?v=v5h3h2E4z2Q

www.youtube.com/watch?v=0qKrOF-gJZ4

http://wwwens.uqac.ca/chimie/Physique_atom/Chap_htm/CHAP_4.html