STUDIUL EFECTULUI FOTOELECTRIC

FOLOSIND MODELAREA FENOMENULU

Elev:Stahie Alexandru

Cls a XII-a A

Colegiul National de Informatica Piatra Neamt

Cuprins

1. Consideratii teoretice ........................ 1

2. Principiul metodei ............................. 1

3. Dispozitivul experimental .................. 2

4. Modul de lucru ................................... 3

5. Concluzii .......................................... 14

1. Consideratii teoretice

Efectul fotoelectric extern este emiterea de electroni din materie în urma absorbției de radiație electromagnetică. Importanța acestui fenomen în dezvoltarea domeniului fizicii constă în a sprijini dualitatea undă-corpuscul a radiației electromagnetice. Explicația matematică a fenomenului a fost dată de Albert Einstein, pe baza unor ipoteze cuantice formulate de Max Planck.

Legile efectului fotoelectric extern:

I. Intensitatea curentului fotoelectric de saturație depinde direct proporțional de fluxul radiației electromagnetic de incidență când frecvența este constantă. II. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor emiși este direct proporțională cu frecvența radiației electromagnetică incidente și nu depinde de flux. III. Efectul fotoelectric se produce dacă și numai dacă frecvența radiației electromagnetice incidente este mai mare sau egală decât o constantă de material numită "frecvența de prag" sau "pragul roșu". IV. Efectul fotoelectric extern este practic instantaneu.(∆t≈1 ns = 10^-9 s).

2. Principiul metodei

O suprafață metalică expusă unui flux de radiație electromagnetică poate să genereze, în anumite condiții, electroni liberi, care produc un curent electric dacă sunt accelerați sub acțiunea unui câmp electric. Electronii emiși prin efectul fotoelectric se numesc fotoelectroni. Experimental s-a constatat că pentru a observa emisia de electroni este nevoie ca radiația electromagnetică să aibă o frecvență deasupra unei limite inferioare care depinde de natura materialului sau, echivalent, lungimea de undă trebuie să fie sub o anumită valoare. Intensitatea fluxului de radiație incident influențează mărimea curentului electric produs, dar nu determină apariția fenomenului.

Efectul se produce nu numai pe metale ci și pe alte materiale, atât conductoare cât și izolatoare, dar conductibilitatea electrică a materialului este necesară în aplicațiile în care efectul fotoelectric se detectează prin apariția unui curent electric.

3. Dispozitivul experimental

Putem varia de aici intensitatea fascicului luminos, lungimea de undă a acestuia, tensiunea la bornele sursei, dar şi materialul de pe electrod. Programul realizeaza instantaneu grafice curent -tensiune, curent-intensitate luminoasa, energie cinetică-frecvenţă.

4. Modul de lucru

1) Efectul fotoelectric apare numai dacă frecvenţa luminii incidente este mai mare decât o valoare limită ʋ0 (caracteristică metalului fotosensibil) numită frecvenţă de prag al efectului. Vom realiza determinări ale lungimii de undă de prag pentru diferite materiale pentru a face un studiu comparativ.

a) Sodiu (λ0 =538 nm):

b) Zinc(λ0 =287 nm):

c) Cupru(λ0 =262 nm):

d) Platina( λ0 =195 nm):

e) Calciu(λ0 =425nm):

2) Datele obtinute le vom trece intr-un tabel de forma:

Material λ0(nm) ʋ0 (Hz) Lextr (J) Lextr (eV)

Sodiu 538 0.55*1015

3.68*10-19

2.30

Zinc 287 1.04*1015

6.92*10-19

4.32

Cupru 262 1.14*1015

7.58*10-19

4.73

Platina 195 1.53*1015

10.19*10-19

6.36

Calciu 425 0.702*1015

4.67*10-19

2.91

3) Alegem un material la care fasciculul incident are lungimea de undă U=0, λ= 160 nm;Variem tensiunea. Curba care indică dependenţa intensităţii curentului de tensiunea aplicată I=f(U) se numeşte caracteristică curent-tensiune a fotoelementului şi are aspectul ilustrat în graficul de mai jos. Din analiza acestei caracteristici rezultă: dacă tensiunea dintre electrozi este zero U=0, curentul fotoelectric este diferit de zero I ≠0. Această arată că elecronii posedă energie cinetică. Pentru ca I=0,trebuie să aplicăm tensiunea de stopare Us. Cu alte cuvinte, să se frâneze deplasarea electronilor spre celălalt electrod (la catod se aplică semnul „+”,iar la anod „ -”).În acest caz electronul la traversarea drumului de la catod la anod efectuează lucrul mecanic pe contul energiei cinetice ,care o posedă electronul la emisia lui de pe suprafaţa substanţei.

A. Sodiu(λ0 =538nm) : λ= 160 nm

Deducem din grafic si din modelare ca Us= -5.4V, I0=7.5A

Utilizand formula obtinem Ec=8.74*10-19 J => Ec=5.46 eV � Pentru acelasi materia -Sodiu - cu λ=160nm si λ0 fixate vom trasa graficul

dependentei curentului de intensitatea luminoasa

� Trasam caracteristica

B. Zinc(λ0 =287nm) : λ= 160 nm

Us= -5.8V => Ec=5.8 eV ; I0=5.57A

C. Cupru (λ0 =262nm) : λ= 160 nm

Us= -3.00V => Ec =3.00eV ; I0=4.35A

D. Platina (λ0 =195nm) : λ= 160 nm

Us= -2.6V => Ec = 2.6eV ; I0=0.98A

E. Calciu (λ0 =425nm) : λ= 160 nm

Us= -5.00 V => Ec = 5eV ; I0=7.5A

Cu datele obtinute mai sus am construit urmatoru tabel:

Material λ(nm) Us(V) Ec(eV) I0(A)

Sodiu

160

-5.4 5.4 7.5

Zinc -5.8 5.8 5.57

Cupru -3.0 3.0 4.35

Platina -2.6 2.6 0.98

Calciu -5.0 5.0 7.5

Deoarece am folosit aceeasi lungime de undă pentru diferite materiale putem spune că:

� Electronii cu cea mai mare energie cinetică aparţin sodiului � Cea mai mare intensitate a curentului electric se obţine pentru utilizarea � sodiului şi a calciului � Energia este invers proportională cu lungimea de undă a radiaţiei � electromagnetice � Experimentul confirmă toate legile efectului fotoelectric

Determinarea constantei lui Planck

Pentru SODIU, vom folosi două valori ale lui λ pentru care vom determina tensiunile de stopare corespunzătoare. Folosind aceste valori vom determina valoarea constantei lui Planck şi o vom compara cu valoarea h=6.626 • 10-34 Js

Consideram λ1=160nm si λ2=295 nm = >Us1= -5.4V; Us2= -2V;

Obtinem astfel : Ec1= 5.4eV ; Ec2= 2eV

Cu ajutorul datelor obtinute construim tabelul urmator:

λ(nm) ʋ(Hz) Us(V) Ec(eV) Ec(10-19J) h’(Js)

160 1.87*1019 -5.4 5.4 8.64

6.325*10-34

295 1.01*1019 -2 2 3.2

� h’= 6.325*10-34 ± 0.95%

5. Concluzii