Efectul fotoelectric extern Heinrich Hertz, in 1887, a constatat ca descarcarea electrica dintre doua sfere se producea mai usor daca avea loc in prezenta luminii ultraviolete. Aceasta e prima referire la efectul fotoelectric. Wilhelm Hallwachs, in 1888, a observat ca lumina ultravioleta produce descarcarea unei sfere metalice incarcata negativ. Daca sfera este incarcata pozitiv descarcarea nu se producea, iar daca era masurata calitativ sarcina electrica, a sferei,cu ajutorul unui electroscop se constata ca ea crestea. Concluzia a fost ca sub actiunea luminii ultraviolete sfera de zinc emitea particule incarcate cu sarcina electrica negativa. Thomson si Lenard, in 1889, au demonstrat ca lumina ultravioleta scoatea electroni din metalele pe care cadea. Prezentareadispozitivuluiexperimentalsiaprocedeuluiexperimentalpentru trasareacaracteristiciivolt-ampericeI=f(U)siadependenteidintre intensitatea curentului de saturatie si fluxul luminos IS=f() 1.Dispozitivul experimental pentru studierea efectului fotoelectric extern consta in : -tub de sticla vidat (T) prevazut cu o fereastra din cuart (Q-transparenta la radiatii ultraviolete) -doi electrozi : catodul K si anodul A -filtru F (necesar pentru iluminarea catodului cu radiatii monocromatice) -arcul electric (sursa de radiatii ) -galvanometrul G pentru masurare intensitatii curentului electric -reostat R cu cursor C pentru modificarea tensiunii electrice dintre anod si catod -voltmetrul V, care masoara caderea de tensiune dintre anod si catod -sursa de tensiune continua E 2.a)Procedeul experimental pentru ridicarea caracteristicii curent-tensiune I=f(U) : -se realizeaza schema electrica din figura de mai sus -se fixeaza o anumita distanta intre izvorul luminos si celula fotoelectrica se variaza tensiunea electrica din 2 in 2 volti si se citesc valorile corespunzatoare ale curentului fotoelectric I si ale tensiunii U -datele se trec intr-untabel de forma : Nr. crt. U(V)I(A)d(cm) -se reprezinta grafic I=f(U) ; trebuie sa se obtina o figura de tipul urmator: -se repeta masuratorile pentru mai multe distante dintre izvorul luminos si celula fotoelectrica, deci pentru mai multe valori ale fluxului luminos incident--se reprezinta pe acelasi grafic , dependenta I=f(U) pentru fiecare distanta diferita, adica pentru fiecare flux luminos 1, 2, 3 ; trebuie sa se obtina o figura de tipul urmator :

2.b)Dependenta dintre intensitatea curentului de saturatie sifluxul luminos IS=f(): -se stabileste intre anod si fotocatod o tensiune suficient de mare pentru a ne situa pe portiunea orizontala a caracteristicii curent-tensiune -se variaza distanta d dintre izvorul luminos si celula fotoelectrica din 10 in 10 cm si se noteaza intensitatea curentului I si distanta d -datele se trec in al doilea tabel de forma :

Nr. crt.

I( A)

d(m)

U(V) -se reprezinta grafic

care reprezint la alt scar funcia Fenomenul fizic prin care absorbtia luminii conduce la emisia deelectroni in afara metalului iradiat,datorita interactiei dintre radiatiile luminoase si electronii liberi din reteaua cristalina a metalului se numeste efect fotoelectric extern. Electronii emisi de fotocatodul metalic( in urma absorbtiei fotonilor) pot ajunge la anod doar daca anodul este legat la polul pozitiv al sursei de tensiune continua iar catodul (fotocatodul) este legat la polul negativ al aceleiasi surse. La aplicareaintre cei doi electrozi, a unei tensiuni electrice mici, electronii sunt slab accelerati spre electrodul pozitiv,si de aceea sunt captati de anod int-un ritm mai lent decat cel in care ei sunt produsi de catre fotocatod. Ca urmare ei se aglomereaza in zona fotocatodului unde formeaza o sarcina spatiala negativa , sarcina care franeaza trecerea celorlalti electroni spre anod. Daca se mareste tensiunea electrica un numar din ce in ce mai mare de electroni va fi atras de anod, pana cand la un moment dat, toti electronii emisi de fotocatod vor fi captati de anod; de aici incolo oricat vom mai creste valoarea tensiunii electrice numarul de electroni captati de anod ramane constant, si ca urmare curentul electric pe care acesti electroni il determina va atinge un nivel de saturatie.( veziwww.colorado.edu/physics/phet/simulations/photoelectric/photoelectric.jnlp pentru vizualizare sarcinii spatiale negative din jurul catodului si a modului in care electronii sunt captati de anod odata cu modificarea tensiunii electrice dintre anod si catod). Determinarea energiei cinetice Ec a electronilor emisi de fotocatod se poate face prin metoda cmpului intrzietor, care consta in a obliga electronii emisi sa traverseze un cmp electric al carui sens este dirijat astfel inct sa ii frneze. Pentru o anumita valoare US a diferentei de potential (tensiune de stopare) corespunzatoare cmpului intrzietor, intensitatea curentului electric format din electronii emisi prin efect fotoelectric, se anuleaza. Valoarea lui US reprezinta o masura a energiei cinetice maxime a fotoelectronilor emisi de fotocatod, deoarece aplicand teorema variatiei energiei cinetice pentru ultimii electroni franati de US , se obtine : Ec = L0 mv2/2 =e(-US) unde m= masa electronului = 9,110-31 kg,e =sarcina electrica a electronului | = 1,610-19 Cv = viteza electronului emis de catod US = tensiunea de stopare ( valoarea tensiunii de stopare US este evidentiata pentru sodiu,cupru, zinc, platina si calciu la aceeasi adresa de mai sus www.colorado.edu/physics/phet/simulations/photoelectric/photoelectric.jnlp si astfel pentru aceste substante se poate calcula si viteza celui mai rapid electron) Legea 1 Folosind dispozitivul experimental se traseaza caracteristica volt-amperica I= f(U) pentru fluxuri diferite, 1, 2, 3, si din analiza ei rezulta prima lege a efectului fotoelectric : 1. Intensitatea curentului fotoelectric de saturatie este directproportionala cu fluxul radiatiilor electromagnetice incidente ,cand frecventa este constanta . Se observa ca se obtine cate o familie de caracteristici curent-tensiune pentru fluxuri diferite ale radiatiilor electromagnetice de aceeasi frecventa.Din analiza acestei familii de caracteristici, rezulta ca tensiunea de stopare este aceeasi US.

Legea 2 Experimental se modifica frecventa radiatiei incidente si se masoara tensiunea de stopare care ii corespunde. Folosind relatia Ec max = eUS se calculeaza energia cinetica maxima a fotoelectronilor emisi de fotocatod. Se traseaza graficul Ec max = f(v) Rezulta legea a doua a efectului fotoelectric: 2. Energia cinetica a fotoelectronilor emisi creste liniari cu frecventa radiatiilor electromagnetice si nu depinde de fluxul acestora. Repetand experimentul de mai sus pentrufotocatozi din materiale diferite se obtine o familie de drepte paralele ca in figura urmatoare :

Legea 3 Analizand graficele Ec max = f(v) rezulta legea a treia a efectului fotoelectric : 3. Efectul fotoelectric extern se poate produce numai daca frecventa radiatiei incidente este mai mare sau cel putin egala cu o valoare minimavo , specifica fiecarei substante. Frecventa minima vo la care se produceefectul fotoelectric se numestefrecventa de prag sau pragul rosu al efectului fotoelectric.

Frecventa minima vopentru producerea efectului fotoelectric are valori diferite pentru materiale diferitecatozilor .

Legea 4 Masurandu-se intervalul de timp care se scurgeintre momentuliluminarii simomentulaparitiei curentului fotoelectric se gaseste ca acestaeste neglijabil (intervalul de timp este mai mic de 10-9 s). Astfel rezultalegea a patra a efectului fotoelectric: 4. Efectul fotoelectric extern se produce practic instantaneu.

Legile efectului fotoelectric stabilite pe cale experimentala n-au putut fi explicate cu ajutorul teoriei ondulatorii. Ele au fost explicate de catre Albert Einstein in 1905 pe baza ipotezei cuantelor, ipotezaintrodusa de Max Planck in 1900. Max Planck a explicat mecanismul microscopic de emisie a radiatiei termice pe baza ipotezei ca oscilatorii electomagnetici microscopiciemit energie in cantitati discrete. Aceste portii discrete de energie au fost botezate cuante () si transportao energie egala cu hv ,deci depinde de frecventa radiatiei emise sau absorbite de oscilatori. = hv . h se numeste constanta lui Planck si are valoareah = 6,62510-34 Js Particula care are aceasta energie a fost numita foton. In consecinta, lumina este formata din fotoni.Einstein a considerat ca are loc o ciocnire intre o cuanta de energie si un electron liber din metal, ciocnire care respecta legea de conservare a energiei. Fotonul cedeaza intreaga sa energie electronului, iar acesta o foloseste pentru a efectua un lucru mecanic impotriva fortelor care il tin legat in metal; in acest mod electronul paraseste metalul(fotocatodul). Daca energia fotonului este suficient de mare atunci electronul va avea si o energie cinetica. Forma matematica a conservarii energiei in acest proces este : hv= Lext + mv2/2- ecuatia lui Einstein pentru efectul fotoelectric Explicarea legilor efectului fotoelectric: 1. Cresterea fluxului () radiatiilor electromagnetice incidente inseamna de fapt cresterea numarului de fotoni incidenti de egala energie. Cresterea numarului de fotoni duce la cresterea numarului de ciocniri foton-electron si ca urmare la cresterea numarului de electroni emisi, implicit la cresterea valorii de saturatie a intensitatii curentului electric. Folosind graficul I = f(U) dinwww.colorado.edu/physics/phet/simulations/photoelectric/photoelectric.jnlpse poate trasa pentrudiferite valori ale intensitatii luminoase(de exemplu: 20%, 50%, 95%) aceasta curba de variatie . Deasemeneaulterior se poateutiliza si graficul I =f(). 2. Ecuatia lui Einstein arata ca energia cinetica a fotoelectronilor emisi de fotocatod variaza liniar cu frecventa radiatiei incidente: Ec = f(v);mv2/2= hv- Lext Folosind graficul Ec = f(v)( de la acelasi adresa)pentrudiferite materiale se poate calcula constanta lui Planck h din panta dreptei. 3. Pentru o anumita frecventa de prag voenergia cinetica a electronului este zero si atunci toata energia lui este folosita numai pentru extragerea electronului din atom : hvo= Lext

Pentru frecvente mai mici decat frecventa de prag v voefectul fotoelectric nu se mai produce (deoarece este insuficienta energie fie si numai pentru efectuarea lucrului mecanic de extractie Lext) Folosind graficul Ec = f(v)( de la acelasi adresa)pentrudiferite materiale se poate afla valoarea frecventei de prag pentru fiecare material prezentat. 4. Deoarece interactiunea dintre un foton si un electron are loc intr-un timp neglijabil, efectul fotoelectric se produce instantaneu. Aplicatiile efectului fotoelectric Aplicatiile efectului fotoelectric Efectulfotoelectricexternestefenomenuldeemiteredeelectronidecatreunmetal aflatsubactiuneauneiradiatiielectromagnetice.Importanaacestuifenomenndezvoltarea domeniului fizicii const n a sprijini dualitatea und-corpuscul a radiaiei electromagnetice. Efectul fotoelectric, pe langa faptul ca a jucat un rol important in confirmarea teoriei corpusculare a luminii, are si numeroase aplicatii practice. Alarmele antifurt si sistemele automate de deschidere a usilor utilizeaza adesea circuite cu celula fotoelectrica.Cand o persoana intrerupe fasciculul luminos, anularea brusca a curentului activeaza un comutator care comanda o sonerie sau o usa.Uneori sunt folosite radiatii UV sau IR la alarme, pentru ca sunt invizibile. Multe detectoare de fum folosesc celule fotoelectrice pentru a detecta cantitati infime de fum, care intrerup fluxul luminos si astfel produc scaderea curentului electric. Sonorul unui film (coloana sonora) poate fi inregistrat intr-o banda ingusta cu innegrire variabila pe o margine laterala a peliculei. Lumina care traverseaza pelicula este astfel modulata, iar semnalul de iesire al unui detector cu celula fotoelectrica urmareste fidel frecventele din coloana sonora. Efectul fotoelectric extern a dus la realizarea celulei fotoelectrice,a fotomultiplicatorului,a releului fotoelectric. Releulfotoelectricesteunelectromagnetcarepoatecomandainchidereasi deschidereaunuicircuitelectric.Incazulreleuluifotoelectricluminacadepefotocatodsi determina aparitia unui camp electric care dupa amplificare strabate electromagnetul al carui camp produce inchiderea circuitului comandat.Avand comenzi comode, sigure si rapide, releul fotoelectric se foloseste la numararea unorobiecteinmiscare,laintrerupereaautomataafunctionariiunormasini-uneltecand operatorulaintratintr-ozonaundeestepericoldeaccidentare,laconectareaautomataa retelei de iluminat etc. Posometruestefolositdefotografiiprofesionitipentrudeterminareailuminriin vederea reglrii manuale a timpului de expunere. Inafaradeefectulfotoelectricexternmaiexistasiefectulfotoelectricinterncare consta in variatia conductivitatii electrice a unui semiconductor sub influenta luminii.Pe baza acestui efect pot fi constriuite o serie de dispozitive numite foto rezistente. Acestaaajutatatlaconstruireacelulelorsolareutilizatepentruaobtineenergie electrica din energie solara. Panourilesolarecaretransforma40,8%dinluminasolaraprimitadirectin electricitate. Cititoarele de coduri- o singura diod emitent ilumineaz omic parte dintr-un cod de bare i o fotocelul msoar cantitatea de lumin reflectat. Pe masur ce LED-ul i fotocelulasedeplaseazde-alungulunuicoddebare,tiparulformatdinliniiispaiieste capturat i decodificat. n cazul unui cititor n form de baghet, lumin este concentrat de o bilu transparent situat n vrful cititorului; pentru a citi, user-ul trebuie s treac bagheta pe deasupra unui cod de bare. Cititoarelelaserfolosescunsingurcapdecitiremobilpentruailumina coduldebareiosingurcelulfoto-electricpentruaprimiluminareflectat.Majoritatea acestor cititoare balanseaz raza laser orizontal folosind o oglinda controlat electronic. Fotomultiplicatorul Microscopulelectronic-microscopia electronica este o tehnica de obtinere a imaginiii unor obiecte microscopice cu ajutorul interferentei de electroni. ConcluziaestecmecanicaluiNewtonnumaipoatedescriecorectfenomenelela aceast scara.