Dominika NICPOŃ

Temat ćwiczenie 40:”Badanie zjawiska fotoelektrycznego ”

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Jednym z podstawowych zjawisk, które interpretujemy jako przejaw korpuskularnej natury promieniowania elektromagnetycznego jest zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na

' wybijaniu ' elektronów z metalu pod wpływem oświetlenia jego powierzchni promieniowaniem elektromagnetycznym. Zjawisko to łatwo zademonstrować za pomocą fotokomórki. Jest to lampa próżniowa, która ma dwie elektrody. Nie oświetlona fotokomórka nie przewodzi prądu elektrycznego. Prąd może się pojawić jeżeli katoda zostanie oświetlona światłem.

Dokładne pomiary własności fotoelektronów przy naświetlaniu tej samej katody różnymi rodzajami światła wykazały, że prędkość maksymalna fotoelektronów zależy jedynie od długości fali światła, którym jest naświetlona fotokatoda. Pomiary takie przeprowadził na specjalnej aparaturze R. A. Milikan. Stwierdził on liniową zależność potencjału hamowania Uh , a więc i energii kinetycznej fotoelektronów od częstotliwości padającego na daną fotokatodę promieniowania.

Z pomiarów Milikana wynikało, że dla danego materiału fotokatody istnieje ściśle określona częstotliwość  0 , poniżej której zjawisko fotoelektryczne, przy danej fotokatodzie, nie zachodzi. Doświadczenie Millikana wykazało, że ta częstotliwość jest dla każdego materiału fotokatody inna. Częstotliwość  jest częstotliwością graniczną, a odpowiadająca jej długość fali
została nazwana długością graniczną.

Trzy cechy zjawiska fotoelektrycznego nie dadzą się wyjaśnić na gruncie falowej teorii światła, a mianowicie:

1) Z teorii falowej wynika, że energia fotoelektronów powinna wzrastać przy wzroście natężenia wiązki światła. Okazuje się, że w zjawisku fotoelektrycznym energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła.

2) Zgodnie z teorią falową efekt fotoelektryczny powinien występować dla dowolnej częstotliwości światła, ale pod warunkiem, że natężenie światła jest dostatecznie duże. Wyniki badań wykazały, że dla każdej powierzchni istnieje charakterystyczna częstotliwość graniczna vo. Dla częstotliwości mniejszych od vo zjawisko fotoelektryczne nie występuje niezależnie od tego jak silne będzie oświetlenie.

3) Dla danej fotokatody liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna do natężenia światła.

Teoretyczne wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego na gruncie kwantowej teorii światła przedstawił

A. Einstein. Najlepiej wyjaśnia to równanie Einsteina-Millikana:

W równaniu v oznacza częstotliwość światła padającego na fotokatodę, hv jest energią pojedynczego "korpuskułu świetlnego"

nazywanego fotonem, W jest to tzw. praca wyjścia, tzn. praca potrzebna na wyrwanie elektronu z powierzchni fotokatody, vmax jest maksymalną prędkością fotoelektronów o masie m, h-stała Plancka jest współczynnikiem proporcjonalności między energią E fotonu, a częstotliwością v

światła. Fale świetlne o różnych częstotliwościach są więc ruchem fotonów o różnych energiach określonych związkiem E=h . Stała h jest jednakowa dla wszystkich fal świetlnych i wynosi

h=6,62*10-34 J*s. Według Eisteina zjawisko fotoelektryczne należy traktować jako rezultat pochłonięcia fotonu połączone z wybiciem elektronu z atomu. Foton jest czymś w rodzaju cząstki, która istnieje tylko w ruchu-nie ma masy spoczynkowej. Podczas wzajemnego oddziaływania fotonu z elektronami muszą być spełnione zasady zachowania energii i pędu. Foton padając na fotokatodę dostarcza energii E = h . Część tej energii oznaczona przez W zostaje zużyta na wyrwanie elektronu z metalu fotokatody. Pozostała energia h - W stanowi energię kinetyczną elektronu wylatującego. Wielkość W, czyli praca wyjścia, jest cechą charakterystyczną dla materiału fotokatody. Z równania Eisteina-Millikana wynika, że tylko to promieniowanie wywoła zjawisko fotoelektryczne, którego foton ma energię większą lub równą pracy wyjścia danej fotokatody, tzn. h>=W. Przy częstotliwości mniejszej niż  o fotoelektrony w ogóle nie są emitowane. Stąd pojawia się wartość częstotliwości granicznej   , o której wcześniej wspomniano.

Oprócz zjawiska fotoelektrycznego istnieją inne zjawiska związane z emisją i absorpcją światła, których nie da się wytłumaczyć za pomocą falowej teorii światła. Wyjaśnienie tych zjawisk dostarczyła kwantowa teoria światła wychodząca poza opis fal elektromagnetycznych w języku Maxwella. Pojęcie kwantu wprowadził M. Planck w 1900 r. przy formułowaniu prawa promieniowania ciała doskonale czarnego. By uzyskać wzór zgodny z danymi doświadczeniami, Planck założył, że emisja i absorpcja promieniowania odbywa się ściśle określonymi porcjami- kwantami. Według Plancka

energia emitowana i absorbowana przez atomy jest zawsze równa całkowitej wielokrotności kwantu energii E=h . Właśnie rozwinięcie idei kwantowych doprowadziło Eisteina do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego i stworzyło kwantową teorię promieniowania.

Przebieg ćwiczenia :

Na specjalnej szynie umieszczono ruchome żródło światła , oraz detektor światła w postaci fotorezystora.

Przy utrzymywanym stałym napięciu na fotorezystorze obserwowaliśmy jak zmienia się prąd fotorezystora ze zmianą odległości żródła światła.

Wyniki pomiarów :

Dyskusja błędów :

Błąd odczytu na szynie, po której przesówane było żródło światła określiliśmy na 2mm.

Błąd I, oraz U obliczyliśmy według wzoru :

skąd :

gdzie :

- zakres miliamperomierza = 7,5

- zakres woltomierza = 150

- klasa dokładności obu

mierników = 0.5

3

---