efectul fotoelectric
TRANSCRIPT
Efectul fotoelectricDe la Wikipedia, enciclopedia liberă
Sub acţiunea luminii electronii părăsesc metalul.
Efectul fotoelectric extern este emiterea de electroni din materie în urma absorbţiei de
radiaţie electromagnetică, de exemplu radiaţie ultravioletă sau raze X. Un termen
învechit pentru efectul fotoelectric este efectul Hertz.
Importanţa acestui fenomen în dezvoltarea domeniului fizicii constă în a sprijini
dualitatea undă-corpuscul a radiaţiei electromagnetice. Explicaţia matematică a
fenomenului a fost dată de Albert Einstein, pe baza unor ipoteze cuantice formulate de
Max Planck.
Descriere
Când o suprafaţă metalică e expusă unui flux de radiaţie electromagnetică poate să
genereze, în anumite condiţii, electroni liberi, care produc un curent electric dacă sunt
acceleraţi sub acţiunea unui câmp electric. Electronii emişi prin efectul fotoelectric se
numesc fotoelectroni. Experimental s-a constatat că pentru a observa emisia de
electroni este nevoie ca radiaţia electromagnetică să aibă o frecvenţă deasupra unei
limite inferioare care depinde de natura materialului sau, echivalent, lungimea de undă
trebuie să fie sub o anumită valoare. Intensitatea fluxului de radiaţie incident
influenţează mărimea curentului electric produs, dar nu determină apariţia fenomenului.
În fizică, lungimea de undă este un parametru de bază al oricărui fenomen ondulatoriu
(undă) care se propagă în spaţiu şi anume reprezintă distanţa parcursă de undă pe
durata unei oscilaţii, ori distanţa dintre două puncte din spaţiu între care defazajul relativ
al oscilaţiilor este de 2π radiani.Astfel de fenomene pot fi de exemplu undele
electromagnetice (lumina, undele radio, etc.) şi undele mecanice (sunetele, undele
seismice, etc.). Prin extensie, pentru orice fenomen care se repetă în spaţiu, perioada
de repetare se poate numi lungime de undă. De exemplu în matematică, dacă o funcţie
sinusoidală are ca argument poziţia în spaţiu, atunci distanţa la care funcţia îşi repetă
valorile se numeşte lungime de undă.
Lungimea de undă este legată de viteza de propagare a undei respective şi de
frecvenţa ei prin relaţia
unde simbolurile reprezintă:
λ = lungimea de undă,
c = viteza de propagare a undei în mediul respectiv,
f = frecvenţa undei, inversa perioadei temporale,
T = perioada undei.
În cazul luminii c este 299.792.458 m/s în vid (valoare exactă, prin definiţia metrului) şi
doar puţin mai mică în aer. În cazul undelor sonore propagate în aer c este 343 m/s la
temperatura de 20°C.
Lungimea de undă are un sens bine definit numai în cazul unei unde monocromatice,
adică de o singură frecvenţă şi ale cărei oscilaţii se repetă la infinit. În acest caz
idealizat, lungimea de undă este cea mai mică mărime λ care îndeplineşte relaţia
u(x) = u(x + kλ)
unde u este parametrul oscilant al undei (de exemplu intensitatea cîmpului electric în
cazul unei unde electromagnetice, presiunea instantanee locală a mediului în cazul
undelor sonore, etc.), x este poziţia de-a lungul direcţiei de propagare a undei, iar k este
un număr întreg. Trebuie precizat că formula anterioară este riguros exactă numai în
cazul undelor plane care se propagă într-un mediu omogen.
În timp ce lungimea de undă depinde de mediul în care se propagă unda, frecvenţa
undei este constantă, cel puţin în cazul în care sursa, receptorul şi mediul de propagare
sînt în repaus relativ. De aceea, în precizarea parametrilor undei se preferă adesea
frecvenţa acesteia. Dacă totuşi o undă este descrisă prin lungimea de undă a oscilaţiilor
sale, trebuie precizat sau convenit mediul de propagare. De exemplu, în cazul luminii,
există convenţia de a considera că toate lungimile de undă se referă la propagarea în
vid.
Explicaţie
Efectul fotoelectric extern poate fi explicat simplu dacă se acceptă ipoteza că radiaţia
electromagnetică este formată din particule (pe care le numim fotoni). Fiecare foton
poartă o cantitate de energie proporţională cu frecvenţa de oscilaţie a câmpului
electromagnetic. La incidenţa fotonului pe suprafaţa unui metal este posibil ca această
energie să fie transferată unui electron din reţeaua cristalină a metalului. Dacă energia
transferată este suficientă pentru ca electronul să depăşească bariera de potenţial pusă
de interfaţa dintre metal şi vid, atunci electronul poate părăsi cristalul şi deveni liber.
Fiecare metal, prin proprietăţile sale cristaline, prezintă valori diferite ale pragului de
energie impus electronilor la părăsirea suprafeţei, ceea ce explică faptul că metale
diferite încep să emită fotoelectroni de la frecvenţe diferite.
Energia unui foton poate fi transferată unui singur electron. Astfel, dacă energia
fotonului este sub pragul de extragere a electronului din cristal, mărirea numărului de
fotoni (intensificarea fluxului de lumină) nu poate ajuta la declanşarea efectului
fotoelectric.
Legile efectului fotoelectric extern
I. Intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie depinde direct proporţional de fluxul
radiaţiei electromagnetic de incidenţă când frecvenţa este constantă.
II. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor emişi este direct proporţională cu
frecvenţa radiaţiei electromagnetică incidente şi nu depinde de flux.
III. Efectul fotoelectric se produce dacă şi numai dacă frecvenţa radiaţiei
electromagnetice incidente este mai mare sau egală decât o constantă de material
numită "frecvenţa de prag" sau "pragul roşu".
IV. Efectul fotoelectric extern este practic instantaneu.
Formule
Cantitativ, efectul fotoelectric se poate descrie folosind formula:
unde
h este constanta lui Planck;
f este frecvenţa fotonului incident;
f0 este frecvenţa minimă la care are loc efectul fotoelectric;
m şi v sunt masa, respectiv viteza electronului după ieşirea din cristal;
Energia fotonului incident este hf; această energie se conservă: o parte se regăseşte în
reţeaua cristalină a metalului şi o parte este transferată sub formă de energie cinetică
electronului devenit liber. Dacă se notează cu φ = hf0 lucrul mecanic de extracţie şi cu
Ec energia cinetică a electronului, formula de mai sus se poate rescrie astfel:
hf = φ + Ec
Adus de la http://ro.wikipedia.org/wiki/Efectul_fotoelectric
