Loading...
 
Elementy Fizyki Współczesnej
Pod redakcją:Zbigniew Kąkol
Autorzy/Autorki:Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski, Bartek Wiendlocha
Afiliacja autorów:AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Wydawca:Akademia Górniczo-Hutnicza im. St. Staszica w Krakowie
Data publikacji:2015
Recenzja: dr hab. inż. Jacek Tarasiuk
ISBN:978-83-952550-2-1

Elementy Fizyki Współczesnej
Kwantowa teoria Einsteina zjawiska fotoelektrycznego

Einsteinowi udało się wyjaśnić te własności zjawiska fotoelektrycznego dzięki nowemu rewolucyjnemu założeniu, że energia wiązki świetlnej rozchodzi się w przestrzeni w postaci skończonych porcji (kwantów) energii zwanych fotonami.

Energia pojedynczego fotonu jest dana wzorem

\( {E={h\nu}} \)


Przypomnijmy sobie, że według Plancka źródła emitują światło w sposób nieciągły, ale w przestrzeni rozchodzi się ono jako fala elektromagnetyczna.

Natomiast Einstein zapostulował, że kwanty światła rozchodzą się w przestrzeni jak cząstki materii, i gdy foton zderzy się z elektronem w metalu to może zostać przez elektron pochłonięty. Wówczas energia fotonu zostanie przekazana elektronowi.

Prawo, zasada, twierdzenie

Jeżeli do wyrwania elektronu z metalu potrzebna jest energia \( W \), to wówczas

\( {{h\nu}=W+E_{{{kmax}}}} \)

Wielkość \( W \) charakterystyczna dla danego metalu nazywana jest pracą wyjścia.

Zgodnie z powyższą zależnością energia \( h\nu \) fotonu, w części ( \( W \)) zostaje zużyta na wyrwanie elektronu z materiału (jego przejście przez powierzchnię), a ewentualny nadmiar energii ( \( h\nu - W \)) elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej, przy czym część z niej może być stracona w zderzeniach wewnętrznych (przed opuszczeniem materiału).

Teoria Einsteina pozwala na wyjaśnienie, przedstawionych wcześniej, osobliwych własności zjawiska fotoelektrycznego:

  • Zwiększając natężenie światła, zwiększamy liczbę fotonów, a nie zmieniamy ich energii. Ulega więc zwiększeniu liczba wybitych elektronów (fotoprąd), a nie energia elektronów \( E_{kmax} \), która tym samym nie zależy od natężenia oświetlenia.
  • Jeżeli mamy taką częstotliwość \( \nu _{0} \), że \( h\nu _{0} = W \) to wtedy \( E_{kmax} = 0 \). Nie ma nadmiaru energii. Jeżeli \( \nu < \nu _{0} \) to fotony niezależnie od ich liczby (natężenia światła) nie mają dość energii do wywołania fotoemisji.
  • Dostarczana jest energia w postaci skupionej (kwant, porcja) a nie rozłożonej (fala); elektron pochłania cały kwant.


Korzystając z zależności Zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne-( 1 ), możemy przekształcć równanie ( 2 ) do postaci

\( {U_{{h}}=\frac{h}{e}v-\frac{W}{e}} \)


Widzimy, że teoria Einsteina przewiduje liniową zależność pomiędzy napięciem hamowania, a częstotliwością, co jest całkowicie zgodne z doświadczeniem (zob. Zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne-Rys. 3 ). Teoria fotonowa potwierdza więc fakty związane ze zjawiskiem fotoelektrycznym, ale jest sprzeczna z teorią falową, która też została potwierdzona doświadczalnie (zjawisko dyfrakcji, interferencji, polaryzacji).

Jak jest więc możliwe żeby światło było falą i jednocześnie zbiorem cząstek?

Nasz obecny punkt widzenia na naturę światła jest taki, że ma ono złożony charakter, to znaczy, że w pewnych warunkach zachowuje się jak fala, a w innych jak cząstka, czyli foton. Tę własność światła nazywa się dualizmem korpuskularno-falowym. W zjawisku fotoelektrycznym ujawnia się właśnie korpuskularna (cząstkowa) natura światła.

Treść zadania:
Korzystając z poznanej teorii Einsteina, oblicz na podstawie Zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne-Rys. 3 pracę wyjścia dla sodu. W fizyce atomowej energię powszechnie wyraża się w elektronowoltach, 1eV = \( 1.6·10^{-19} \) J. Oblicz, również w tych jednostkach, energię fotonu odpowiadającego częstotliwości progowej \( \nu _{0} \). W =
Rozwiązanie:
Dane:

Z Zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne-Rys. 3 odczytujemy wartość progowej częstotliwości dla sodu \( \nu _{0} = 4.5·10^{14} \) Hz,
\( h = 6.63·10^{-34} \) Js,
1eV = \( 1.6·10^{-19} \) J.

Jeżeli światło ma progową częstotliwość \( \nu_{0} \), to \( h \nu _{0} = W \), bo wtedy \( E_{kmax} = 0 \).

Pracę wyjścia obliczamy więc z zależności \( W = h \nu_{0} \) .

Po podstawieniu danych, otrzymujemy \( W = 2.98·10^{-19} \) J = 1.86 eV.

Tyle właśnie wynosi energia fotonu o częstotliwości progowej

\( \nu _{0} \).

Treść zadania:
Czy fotokomórka, w której zastosowano elektrodę wykonaną z cezu można zastosować jako czujnik dla promieniowania widzialnego? Praca wyjścia dla cezu W = 2 eV. T =
Rozwiązanie:
Dane:

W = 2 eV,
\( h = 6.63·10^{-34} \) Js,
\( c = 3·10^{8} \) m/s,
1eV = \( 1.6·10^{-19} \) J.

Promieniowanie widzialne obejmuje zakres długości fal od 400 do 700 nm.

Odpowiada to zakresowi częstotliwości ( \( \nu = c/\lambda \)) od 7.5·10 \( ^{14} \) do 4.3·10 \( ^{14} \) Hz i zakresowi energii fotonów ( \( E = h \nu \)) od 1.78 do 3.11 eV

Oznacza to, że fotokomórkę, w której zastosowano elektrodę wykonaną z cezu można zastosować jako czujnik dla promieniowania widzialnego, ale nie w całym zakresie ponieważ częstotliwość progowa dla cezu wynosi \( \nu _{0} = W/h = 4.8·10^{14} \) Hz i promieniowanie czerwone, pomarańczowe i żółte nie będzie przez nią rejestrowane.
Zaloguj się/Zarejestruj w OPEN AGH e-podręczniki
Czy masz już hasło?

Hasło powinno mieć przynajmniej 8 znaków, litery i cyfry oraz co najmniej jeden znak specjalny.

Przypominanie hasła

Wprowadź swój adres e-mail, abyśmy mogli przesłać Ci informację o nowym haśle.
Dziękujemy za rejestrację!
Na wskazany w rejestracji adres został wysłany e-mail z linkiem aktywacyjnym.
Wprowadzone hasło/login są błędne.