Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne Wykonała: Osenkowska Justyna Nazwa wydziału: Górnictwa i Geoinżynierii Kierunek: Zarządzanie i Inżynieria Produkcji Miejsce i data prezentacji: Kraków, 17.03.2016r. www.agh.edu.pl

Pierwsze efekty zjawiska zaobserwowali H. R. Hertz w 1887r. i P Pierwsze efekty zjawiska zaobserwowali H.R. Hertz w 1887r. i P. Lenard w 1902r. Heinrich Rudolf Hertz Philipp Lenard www.agh.edu.pl

Na czym polega zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne? Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wyrzucaniu elektronów z powierzchni ciała stałego pod wpływem padającego promieniowania. Zjawisko to zachodzi najskuteczniej, gdy promieniowanie ma niewielką długość fali , a ciało jest metalem. Zjawisko to określa się też czasem mianem fotoemisji elektronowej. www.agh.edu.pl

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Schemat doświadczenia zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego – doświadczenie Hertza Płytka cynkowa naładowana ujemnie

Pierwsza wersja doświadczenia: Pierwotnie elektroskop jest nie naładowany (stan spoczynku) Na płytkę cynkową świeci światło z lamy ultrafioletowej Wniosek: Elektroskop naładuję się dodatnio

Druga wersja doświadczenia: Pierwotnie elektroskop naładowany był ujemnie Na płytkę cynkową świeci światło z lamy ultrafioletowej Wniosek: Elektroskop się rozładowuje

Trzecia wersja doświadczenia: Jeżeli pomiędzy padającym światłem a płytką cynkową ustawimy szybę to w elektroskopie nie zaobserwujemy żadnych zmian. Wniosek: Szyba przepuszcza światło widzialne ale nie przepuszcza ultrafioletu

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne z wykorzystaniem fotokomórki – doświadczenie Lenarda

Opis doświadczenia Źródło światła wysyła światło monochromatyczne, którego częstotliwość V i natężenia J można zmienić. Wewnątrz bańki szklanej, zawierające okienko kwarcowe przepuszczające promienie ultrafioletowe, panuje próżnia. W bańce znajduje się elektroda K, emitująca elektrony oraz elektroda A, zbierająca elektrony. Układ elektryczny miedzy elektrodami napięcie U, które można zmienić w granicach od -10 do +10 V. W obwód włączony jest woltomierz i miliamperomierz, które mierzą napięcie i natężenie płynącego prądu.

Wnioski z doświadczenia Po przyłożeniu do anody potencjału dodatniego względem fotokatody i przy braku oświetlenia fotokatody nie obserwuje się przepływu prądu. Jeśli oświetlimy fotokatodę światłem o odpowiednio dużej częstotliwości prąd popłynie. Zwiększając dodatni potencjał anody obserwuje się początkowo liniowe narastanie natężenia prądu, ale od pewnej wartości napięcia U osiąga stan nasycenia i natężenia prądu nie ulega już zmianie.

Zależności natężenia prądu od napięcia I – natężenie prądu U – napięcie

Wnioski z doświadczenia c.d. Napięcie uważa się za dodatnie, gdy potencjał elektrody A jest wyższy od potencjału elektrody K. Jeżeli U jest dostatecznie duże, prąd fotoelektryczny osiąga pewną graniczną wartość, przy której wszystkie fotoelektrony emitowane przez elektrodę K są zabierane przez elektrodę A. Jeśli zmienimy znak U, to pole elektryczne będzie przeciwdziałać ruchowi fotoelektronów i do elektrody A będą dochodzić tylko najszybsze elektrony – natężenie prądu będzie maleć i przy odpowiednio dużej ujemnej wartości Uh spadnie do zera.

Wnioski doświadczenia c.d. Maksymalna energia kinetyczna jest równa pracy pola elektrycznego potrzebnej do zahamowania elektronu w fotokomórce: e- ładunek elektronu, Ekmax = eUh

Fotonową teorię zjawiska fotoelektrycznego podał A. Einstein w 1905 r. Albert Einstein

Według teorii Einsteina: Światło należy traktować jak strumień cząstek (fotonów). Każdy foton posiada energię. gdzie: h-stała Plancka, v-częstotliwość światła Ef = hv

hv = φ + Emax Równanie Einsteina Energia fotonu padającego na powierzchnię metalu zostaje pochłonięta przez elektron. Część tej energii zostaje zużyta na oderwanie się elektronu od powierzchni metalu, jest to praca wyjścia φ. Pozostałą część energii fotonu elektron zachowuje w postaci energii kinetycznej. hv = φ + Emax

hv = φ Równanie Einsteina c.d. Jeżeli częstotliwość progowa vo odpowiada Emax = 0, to: hv = φ Wynika z tego, że foton o częstotliwości vo ma dokładnie tyle energii, ile potrzeba na wybicie elektronu z powierzchni metalu.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne W efekcie fotoelektrycznym wewnętrznym energia fotonu jest całkowicie pochłaniana przez elektron Ale elektron nie jest uwalniany, jak to ma miejsce w zjawisku zewnętrznym, przenosi się do pasma przewodnictwa zmieniając tym samym własności elektryczne materiału Fotoprzewodnictwo) Zjawisko to zachodzi wówczas, gdy energia fotonu jest większa, niż wynosi szerokość pasma wzbronionego

Schemat doświadczenia fotony

Wnioski z doświadczenia: Gdy na półprzewodnik n fotoogniwa padają fotony światła, wtedy wyrywają one z powłok walencyjnych elektrony tworząc jednocześnie dziury. W warstwie zaporowej pojawiają się swobodne nośniki prądu. Z cienkiej warstwy n dziury są przyciągane przez półprzewodnik p - jego dodatni potencjał rośnie. Elektrony pozostając w półprzewodniku n powodują obniżenie jego ujemnego potencjału. Różnica potencjałów między półprzewodnikami powoduje przepływ prądu elektrycznego jak to pokazuje rysunek obok.

Dziękuję za uwagę!