ELEMENTE DE FIZICĂ CUANTICĂ EFECTUL FOTOELECTRIC EXTERN

1. ELEMENTE DE FIZICĂ CUANTICĂEFECTUL FOTOELECTRIC EXTERN Prof. Corina Dima

2. Definiţie Este fenomenul de emisie de electroni de către un corp, sub acţiunea radiaţiilor electromagnetice. Efectul fotoelectric se studiază cu următorul montaj:

3. Descriere: Montajul este format din: • un tub de sticlă vidat, în care se află 2 electrozi, anodul si catodul; • o sursă de tensiune variabilă; • un ampermetru.

4. Funcţionare: Catodul este iradiat cu o radiaţie electromagnetică (VIS sau UV) de frecvenţă şi flux constante. Catodul emite electroni prin efect fotoelectric; aceştia sunt atraşi de anod, formând un curent electric al cărui intensitate este măsurată cu ajutorul ampermetrului. Se repetă măsuratorile pentru mai multe valori ale tensiunii de accelerare aplicate între cei doi electrozi. Se trasează caracteristica tensiune-curent (graficul dependenţei curentului măsurat în funcţie de tensiunea de accelerare aplicată).

5. Caracteristica tensiune-curent: Interpretare: Când U = 0, I0 ≠ 0. O parte din electronii cei mai rapizi ajung la anod in lipsa tensiunii de accelerare. Când U creşte, I creşte. Crescând tensiunea de accelerare, la anod ajung din ce in ce mai mulţi electroni, formând un curent de intensitate din ce în ce mai mare. De la o anumită valoare a tensiunii, curentul rămâne constant, formând curentul de saturaţie Is – adică toţi electronii emişi sunt captaţi de către anod. Inversând polaritatea sursei (anodul devine negativ), electronii emişi sunt respinşi (frânaţi); crescând tensiunea inversă, intensitatea curentului scade. La o anumită valoare a tensiunii inverse, numită tensiune de stopare Us , toţi electronii sunt frânaţi, nu mai ajunge niciunul la anod, iar intensitatea curentului devine zero.

6. Se repetă masurătorile pentru mai multe valori ale fluxului radiaţiei incidente, la aceeaşi valoare a frecvenţei. Se masoară valorile intensităţii curentului de saturaţie şi se constată că Is creşte odată cu fluxul. Se obţine o familie de caracteristici.

7. Legile efectului fotoelectric: • Intensitatea curentului de saturaţie este direct proporţională cu fluxul radiaţiei incidente, atunci când frecvenţa este constantă. • Energia cinetică a fotoelectronilor emişi creşte liniar cu frecvenţa radiaţiei incidente şi nu depinde de fluxul acesteia. • Efectul fotoelectric se produce numai dacă frecvenţa radiaţiei incidente este mai mare sau egală cu o valoare minimă, specifică fiecarei substanţe, numită frecvenţă de prag. • Efectul fotoelectric este practic instantaneu.

8. Explicarea efectului fotoelectric: Teoria ondulatorie nu poate explica legile efectului fotoelectric, care sunt obţinute experimental. Conform acestei teorii, ar trebui ca: • O undă electromagnetică, atunci când cade pe un corp, produce oscilaţii forţate ale electronilor din corp cu o amplitudine proporţională cu amplitudinea undei incidente sau poate extrage electronii cu o energie proporţională cu amplitudinea undei incidente (amintiri din clasa a XI-a). Deci ar trebui ca energia cinetică a electronului sa depindă de fluxul radiaţiei incidente - ceea ce contrazice legea a II-a. • O undă electromagnetică ar trebui sa producă efect fotoelectric pentru orice frecvenţă a radiaţiei incidente – contrazice legea a III-a. • Între momentul iluminării şi cel al emisiei electronilor ar trebui sa existe un interval de timp care ar depinde de intensitatea radiaţiei incidente – contrazice legea a IV-a.

9. Ipoteza fotonică a lui Planck A fost formulată de Planck în 1900, şi afirmă că energia unui oscilator microscopic (atom, ion) nu poate avea decât anumite valori bine determinate, numite şi valori discrete E1, E2 , … En... Astfel, energia unui oscilator poate să crească sau să scadă, în cazul absorbţiei sau emisiei, între doua valori Ek, Ei numai cu cantitatea: ε = h·ν = Ek – Ei numită şi cuantă de energie. Unde: ν este frecvenţa oscilatorului, iar h = 6,626·10-26 J·s este constanta lui Planck. Ipoteza cuantificării energiei pune bazele fizicii cuantice, fiind în contradicţie cu fizica clasică. Astfel, radiaţiile electromagnetice emise sau absorbite au o structură discontinuă, fiind formate din porţi discrete de energie numite cuante de energie. Particula care posedă energia unei cuante a fost numită particulă de lumină sau foton. Deci lumina este formată dintr-un ansamblu de fotoni având energia ε = h·ν.

10. Fotonul Are următoarele proprietăţi: • viteza: c = 3·108 m/s • energia: ε = h·ν; dar şi E = mc2 (din TRR). • deci masa de mişcare este: • masa de repaus este m0 = 0, pentru că: deci • Impulsul: • sarcina electrică: q = 0.

11. Explicarea legilor efectului fotoelectric cu ajutorul concepţiei fotonice (Einstein, 1905): Fotonul cade pe un atom şi este absorbit de către un electron, căruia îi cedează întreaga lui energie şi dispare. Electronul cheltuieşte energia absorbită pentru: o parte pentru a se elibera din atom, iar restul sub formă de energie cinetică. Ecuaţia lui Einstein reprezintă legea conservării energiei: Unde: este energia fotonului incident este lucrul mecanic de extracţie (iar ν0 şi λ 0 sunt frecvenţa de prag (minimă), respectiv lungimea de undă de prag (maximă)). L, ν0 şi λ 0 sunt constante pentru fiecare metal. este energia cinetică a fotoelectronilor emişi (iar Us este tensiunea de stopare).

12. Resurse web http://phet.colorado.edu/en/simulation/photoelectric http://www.kcvs.ca/site/projects/physics.html http://www.youtube.com/watch?v=jAt4Liq3bgc