Zjawisko fotoelektryczne

Wypolerowana, naładowana ujemnie płytka cynkowa traci ładunek pod wpływem naświetlania promieniowaniem ultrafioletowym.

Dokładne badania, przeprowadzone w końcu XIX wieku wykazały, że zjawisko to zachodzi również dla innych metali lecz pod warunkiem, że długość fali promieniowania, padającego na metal jest dostatecznie mała, mniejsza od pewnego progu, który jest charakterystyczny dla materiału. W przypadku dłuższej fali zjawisko to nie występuje nawet wtedy, gdy natężenie promieniowania jest bardzo duże. Fakt ten wydawał się uczonym niezrozumiały.

Wyjaśnił to w 1905 roku Albert Einstein: światło składa się z cząstek (fotonów); energia każdego fotonu jest proprocjonalna do częstotliwości promieniowania (E  =  h ν  =  h c / λ). Istnieje pewna minimalna wartość energii (zależna od materiału naświetlanej płytki), potrzebna do wyrzucenia elektronu; wielkość ta nosi nazwę pracy wyjścia W. Jeśli energia fotonu jest większa od pracy wyjścia, elektron może zostać wyemitowany. Z wyjaśnienia tego wynika prawo:

E_kin   =   h ν  −  W

E_kin ... jest maksymalną energią kinetyczną wyemitowanego elektronu,
h ..... stałą Plancka (6,626 · 10⁻³⁴ Js),
ν ..... częstotliwością, fali padającej na płytkę metalową (grecka litera "ni"),
W ..... pracą wyjścia elektronu z metalu.

Ten programik symuluje eksperyment, w którym można wyznaczyć stałą Plancka i pracę wyjścia. Na katodę fotokomórki pada światło z lampy rtęciowej, która wysyła światło o określonych długościach fali. Światło to może powodować emisję elektronów z katody (oznaczonej literą C). Zwykle katoda (C) jest połączona z ujemnym biegunem źródła napięcia, a anoda (A) z dodatnim. Jeśli napięcie włączymy na odwrót (katoda - dodatnia, anoda - ujemna), emitowane przez katodę elektrony są hamowane w polu elektrycznym. W celu wyznaczenia maksymalnej energii kinetycznej wyrzucanych elektronów, należy za pomocą potencjometru - suwaka zwiększyć napięcie hamujące do takiej wartości, aby elektrony nie docierały do anody (A). Niebieski miernik pokazuje wartość napięcia U, miernik czerwony pokazuje, czy elektrony docierają do anody.

Na prawym panelu możesz zmieniać materiał katody, długość fali padającego promieniowania i napięcie hamujące. Poniżej suwaka podane są wartości: częstotliwości fali świetlnej, energii fotonu, pracy wyjścia i maksymalnej energii kinetycznej elektronu.

Po lewej stronie ekranu przedstawiony jest wykres U(ν), otrzymany na podstawie pomiarów. Po wykonaniu dla danego materiału katody kompletnej serii pomiarów przy różnych długościach fali światła, na wykresie pojawi się prosta najlepiej dopasowana do wyników.

Na podstawie trzech serii pomiarów otrzymujemy na wykresie trzy równoległe linie proste, każdą dla innego materiału katody. Z nachylenia prostych wyznaczamy stałą Plancka. Dla każdego materiału katody można także z wykresu odczytać napięcie hamowania (w miejscu przecięcia prostej z osią U). Odczytując wartość U, w którym prosta przecina oś rzędnych, obliczamy pracę wyjścia elektronów z metalu, mnożąc U przez ładunek elektronu:

W   =   e U

Źródło: http://www.walter-fendt.de/html5/phpl/photoeffect_pl.htm
Walter Fendt, 20 lutego 2000
Polski przekład: Barbara Sagnowska, Piotr Sagnowski, ZamKor
Ostatnia aktualizacja: 5 lutego 2019
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.