Efekt fotoelektryczny Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie AGH University of Science and Technology Katarzyna Hetmańczyk ZiIP, GiG, I rok II stopień

Plan prezentacji Historia efektu fotoelektrycznego Wyjaśnienie fotoemisji Współczesne zastosowania

Światło, fala czy cząstki? Huygens Young Fresnel Maxwell Newton Planck Einstein Dyfrakcja w doświadczeniu Younga Na przełomie XIX i XX wieku poznano i zbadano następujące zjawisko: światło (z obszaru widzialnego i nadfioletu) padające na powierzchnię metalu wybija się z niej elektrony. Doświadczenie Younga – dyfrakcja na szczelinie, interferencje, Teoria rozchodzenia się światła jako fali sformułowaną przez HOJHENSA. To wszystko ukoronowane równaniami Maxwella dotyczącymi elektrodynamiki. I to było coś co ludzie znali i wiedzieli – kojarzyli światło z falą. Z drugiej strony Newton był wyznawcą takiej teorii, że światło to raczej cząstki. Pod koniec XIX wieku były jeszcze dwa problemy których nie dało się wyjaśnić na podstawie praw fizyki klasycznej. Promieniowanie ciała doskonale czarnego – Planck rozkład Efekt fotoelektryczny – po raz pierwszy zaobserwowany przez Herza który zajmował się potwierdzeniem eksperymentalnym równań Maxwella Rozkład Plancka

Fotony wybijające elektrony z metalu To co obserwowano to to, że jeżeli jakiś metal jest oświetlany promieniowaniem nadfoletowym to wybijany jest z niego elektron. Obserwowano też szereg charakterystycznych zależności

E, ω Efekt wybijania elektronu zachodził dla fali powyżej pewnej energii Dla niskich energii nic się nie działo – niezależnie od intensywności oświetlania Dla dużych długości nie obserwujemy a poniżej jakiejś długości zachodzi zjawisko ג I

Efekt fotoelektryczny zewnętrzny Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne zachodzi dla metali czyli dla substancji, w których oprócz elektronów na stałe związanych z atomami są także elektrony swobodne. Minimalna energia potrzebna do ucieczki elektronu z metalu to inaczej praca wyjścia lub energia wyjścia W.

Efekt fotoelektryczny wewnętrzny W efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym energia fotonu też jest całkowicie pochłaniana przez elektron. Ale elektron nie jest uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym, przenosi się do pasma przewodnictwa zmieniając tym samym własności elektryczne materiału ( Fotoprzewodnictwo ). Zjawisko to zachodzi tylko wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego (odległość energetyczna między pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa).

Albert Einstein 1921 – nagroda Nobla Zaproponowane przez Alberta Einsteina wyjaśnienie zjawiska i jego opis matematyczny oparte jest na założeniu, że energia wiązki światła pochłaniana jest w postaci porcji (kwantów) równych , gdzie h jest stałą Plancka, a oznacza częstotliwość fali. Kwant promieniowania pochłaniany jest przy tym w całości. Einstein założył dalej, że usunięcie elektronu z powierzchni metalu (substancji) wymaga pewnej pracy zwanej pracą wyjścia, która jest wielkością charakteryzującą daną substancję (stałą materiałową). Pozostała energia unoszona jest przez emitowany elektron. 1905- Einstein – promieniowanie elektromagnetyczne to które pada składa się z kwantów energii, które są niepodzielne, które mogą być absorbowane albo emitowane jako całość Ekin max = hw – o

Hipoteza kwantów wyjaśnia, dlaczego energia fotoelektronów jest zależna od częstości światła, oraz że poniżej pewnej częstotliwości światła zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi. Einstein opublikował swoją pracę, w której wyjaśnił zjawisko fotoelektryczne, w Annalen der Physik w 1905 r. Otrzymane równanie zostało potwierdzone doświadczalnie przez Millikana. W 1921 roku Einstein uzyskał Nagrodę Nobla, za specjalne osiągnięcia w dziedzinie fizyki, w szczególności za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego (teoria względności nie była wtedy jeszcze wystarczająco poparta obserwacjami). Energia kinetyczna maksymalna elektronów które są emitowane w takim efekcie jest proporcjonalna do częstości pomniejszone o pracę wyjścia charakterystyczną dla danego materiału 1 foton – 1 elektron

Badanie maksymalnej energii kinetycznej elektronu Oświetlamy promieniowaniem (sód w tym przypadku) obtoczony innym metalem, przykładano różnicę potencjałów taką żeby wyhamować te emitowane elektrony w momencie kiedy przepływ elektronów ustawał można było przetłumaczyć napięcie które tam przykładano na Energię kinetyczną elektronu

Wykres z pracy Millikana

Współczesne zastosowanie Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w fotokomórkach , bateriach słonecznych , fotopowielaczach , noktowizorach , elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach itd. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego i generowania ładunku, którego ilość można zmierzyć.

W oparciu o to zjawisko zbudowano komórkę fotoelektryczną, o bardzo szerokim zastosowaniu w nauce, technice, a także życiu codziennym

Podsumowanie zaobserwowanie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju teorii kwantowej badania fotoemisji dostarczają istotnych informacji o strukturze elektronowej materii spektroskopia fotoemisja odgrywa istotną rolę we współczesnych badaniach (izolatory topologiczne, materiały o liniowej dyspersji ).

Bibliografia I. W. Sawieliew „Wykłady z fizyki t.3” Bronisław Średniawa „Mechanika kwantowa” J. B. Brojan „Repetytorium z fizyki” http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Pokazy_20 12/12.html E. H. Wichmann „Fizyka kwantowa”

Dziękuję za uwagę