Transcript Efectul fotoelectric extern grupa 1

Efectul fotoelectric extern
Introducere si definitie
Grupa Nr.1
Petrec Cristian
Ioniță Sebastian
Iordache Laura
Joacă-Bine Radu
Grup Școlar “Constantin Cantacuzino” Băicoi
Studiul efectului fotoelectric
Definirea fenomenului fizic
 Prin efect fotoelectric extern se înţelege emisia de
electroni de către corpuri sub acţiunea
 radiaţiilor electromagnetice. Există şi efect fotoelectric
intern, care constă în generarea unor noi purtători de
sarcină liberi în interiorul unui semiconductor sub
acţiunea radiaţiilor electromagnetice.
 Efectul fotoelectric, descoperit de Hertz în 1890, a fost
explicat abia în 1904 de către Einstein pe baza teoriei
corpusculare a luminii (lumina este emisă, se propagă
şi este absorbită în mod discontinuu sub formă de
fotoni).



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.
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..
• Sub actiunea luminii, fotocatodul emite electroni care sunt atrasi de
anod, iar microampermetrul A inregistreaza intensitatea curentului
electric. Se observa ca pe masura ce U creste diferenta de potential
U aplicata electrozilor, creste si intensitatea curentului fotoelectric,
pana cand la o anumita valoare a tensiunii, intensitatea curentului
atinge o valoare maxima, numita intensitatea curentului de saturatie
Is. in acest moment, toti electronii emisi de fotocatod ajung la anod.
Pentru U=0, curentul fotoelectric nu se anuleaza, ceea ce arata ca
electronii care parasesc fotocatodul au viteze initiale diferite. Unii
electroni au viteze, respectiv energii cinetice suficient de mari ca sa
ajunga la anod in lipsa unei tensiuni de accelerare. Mai mult, unii
electroni pot invinge chiar si o tensiune de franare, ceea ce explica
faptul observat experimental ca, intensitatea curentului fotoelectric
nu se anuleaza nici la tensiuni de franare mici, ci numai la o anumita
valoare a tensiunii de franare, Uo.
►
►
►
►
►
Studiindu-se efectul fotoelectric exterior, s-au gasit
urmatoarele caracteristici:
Intensitatea curentului de saturatie este direct
proportionala cu fluxul incident pe suprafata catodului:.
Energia cinetica initiala a electronilor variaza direct
proportional cu frecventa luminii incidente si nu depind de
intensitatea fluxului luminos incident.
Pentru un catod dat, efectul fotoelectric nu se mai produce
daca frecventa radiatiei incidente este mai mica decat o
valoare numita frecventa de prag nprag.
Efectul fotoelectric exterior se declanseaza practic
instantaneu
Grupa a – II- a
Druga Ioana, Marin Andreea, Toma Liviu,
Nutu Veronica, Ungureanu Daniela
EFECTUL FOTOELECTRIC
EXTERN
► Fenomenul
de emisie a
electronilor din unele
metale, sub actiunea
radiatiilor
electromagnetice cu
lungimi de unda
scurte, se numeste
efect fotoelectric
extern. Electronii
extrasi astfel se
numesc fotoelectroni.
Ce realizări ale lui Max Planck l-au inspirat pe
Einstein?
►
Max Planck, fizician german, a ajuns - studiind radiaţia corpului
negru - la concluzia că energia radiată de un corp sub forma
undelor electromagnetice este emisă în mod discret doar ca
multiplu al unei valori de bază dată de produsul dintre o constantă
şi frecvenţa undelor electromagnetice emise: E=h*λ. Valoarea fixă
a fost botezată constanta lui Planck, notată cu h şi are valoarea
6,626x10-34J*s, iar frecvenţa este dată în cazul spectrului vizibil de
culoarea luminii. Pentru contribuţiile sale la stabilirea naturii
discrete a energiei lui Max Planck i-a fost decernat în 1918 Premiul
Nobel pentru fizică.
► Pornind de la concluziile lui Max Planck privind radiaţia corpului
negru, Einstein a propus ideea că şi lumina se manifestă sub forma
unor cuante de energie, numite ulterior fotoni, iar energia unui
foton depinde de constanta lui Planck şi de frecvenţa radiaţiei
electromagnetice corespunzătoare. Plecând de la aceste premise,
Einstein a formulat o teorie care explică în detaliu ce se petrece la
"bombardarea" unei suprafeţe metalice cu unde electromagnetice
din zona razelor X sau a spectrului vizibil.
Interpretarea legilor efectului fotoelectric extern.
Ipoteza lui Einstein.
►
►
►
►
Conceptia corpusculara a lui Planck privind existenta cuantelor
de energie a constituit punctul de plecare pentru explicarea
efectului fotoelectric de catre Einstein in 1905.
Mecanismul este alcatuit dintr-un foton absorbit care cedeaza
energia sa unui electron. Daca aceasta energie este suficienta
pentru a elibera electronul de fortele care il leaga, el poate
parasi suprafata materialului.
Deoarece probabilitatea ca un electron sa absoarba simultan
doi fotoni este foarte mica, inseamna ca fiecare electron smuls
isi dobandeste energia de la un singur foton.
Energia hn a unui foton care produce efectul fotoelectric este
transformata integral astfel: o parte pentru a scoate electronul
din atom si a-l desprinde de pe suprafata catodului (L-lucrul
mecanic de extractie), iar reastul pentru miscarea electronului
extras (energia cinetica Ec)
h ν = L + Ec
►
In metale, in general, exista un numar mare de
electroni liberi (nelegati de atom) ca urmare, prima
parte a lucrului mecanic de extractie poate fi neglijata.
Se explica astfel existenta pragului fotoelectric, care
corespunde situatiei cand intreaga emisie a fotonului
este consumata pentru extragerea fotonului si de
asemenea se explica de ce pentru hν < eU0 efectul nu
se mai produce.
Pe de alta parte, energia totala cedata de unda in
unitate de timp va fi N hν, unde N este numarul de
electroni emisi in unitate de timp.
Pornind de la aceasta relatie se poate explica legea a
III-a a efectului fotoelectric, observand ca, la o
frecventa mica a radiatiei avem nevoie pentru a
produce efectul de un numar mare de fotoni, respectiv
la o frecventa mai mare a radiatiei, avem nevoie de un
numar mai mic de fotoni pastrand aceeasi intensitate
luminoasa.
“Nu ne putem îndoi de faptul că teoria relativităţii a modificat profund
concepţia noastră asupra spaţiului şi timpului. Aspectul cel mai incitant al
acestei schimbări nu constă în natura ei specială, ci mai degrabă în faptul că
ea a fost în genere posibilă.”
Werner Heisenberg
“Există un acord general asupra ideii că investigaţiile lui
Einstein au un merit fundamental mai presus de orice critică
pe care am fi înclinaţi să le-o aducem. Ele ne-au determinat
să gândim.”
Alfred North Whitehead
Albert Einstein -1879-1955
Proiect realizat de elevii clasei a XII-a A grupa a III-a:
Voicea Diana
Baciu Anelis
Jercan Denisa
Gogonea Gentiana
Radutu Ioana
Profesor:Pisau Constantin
Legile efectului
fotoelectric extern
si interpretare
►
DEFINITIE: Prin efect fotoelectric extern se
intelege emisia de electroni dintr-un material sub
actiunea radiatiei electromagnetice incidente. Există şi
efect fotoelectric intern, care constă în generarea unor
purtători de sarcină liberi în interiorul unui
semiconductor sub acţiunea radiaţiei electromagnetice.
►
DESCOPERIRE: Efectul fotoelectric, descoperit de Hertz în
1890, nu a putut fi explicat pe baza teoriei ondulatorii. A
fost explicat în 1904 de către Einstein pe baza teoriei
corpusculare a luminii (lumina este emisă, se propagă şi
este absorbită în mod discontinuu sub formă de fotoni).
EFECTUL FOTOELECTRIC
Emisia de electroni de către un corp aflat sub acţiunea radiaţiei electromagnetice.
LEGI:
1. Intensitatea fotocurentului electric de
saturaţie este proporţională cu fluxul
radiaţiilor incidente, când frecvenţa este
constantă.
2. Energia fotoelectronilor emişi creşte
liniar
cu
frecvenţa
radiaţiei
electromagnetice
incidente,
fiind
independentă de fluxul acestora.
3. Efectul fotoelectric se produce doar
dacă frecvenţa radiaţiilor incidente
depăşeşte
o
anumită
valoare
caracteristică fiecărui element, numită
frecvenţă de prag (pragul roşu al
efectului fotoelectric).
4. Efectul fotoelectric are loc practic
instantaneu.
Efectul fotoelectric
Legile empirice ale efectului fotoelectric
 potenţialul de blocare (energia cinetică a fotoelectronilor) nu se modifică dacă se
modifică intensitatea radiaţiei incidente, dar se modifică intensitatea curentului în
circuit.
 creşterea frecvenţei se observă o creştere a potenţialului de blocare (energia
cinetică a fotoelectronilor), pentru acelaşi material la catod, i.
 lucrul de extracţie constantă de material
 frecvenţă prag de la care se manifestă efectul fotoelectric.
 dată emisia de electroni încă de la începutul iradierii (efectul fotoelectric se
produce instantaneu).
►
►
Max Planck (1900) a
revenit
la
teoria
corpusculară a luminii,
formulând
ipoteza
cuantică
a
emisiei
radiaţiei luminoase.
Albert Einstein a fost însă
cel care a extins ideile lui
Planck şi a introdus
noţiunea de foton pentru
particular de lumină.
Einstein
Planck
Caracteristicile fotonului
masa de repaus
m0 = 0
viteza în vid
c = 3.108 m/s
energia
e = hn = mc2
impulsul
p = mc = hn/c
= h/l
sarcina electrică
q=o
►
►
►
Astăzi se acceptă că lumina este de natură
electromagnetică şi că are un character dual:
ondulatoriu şi corpuscular.
In anumite fenomene se manifestă aspectul
ondulatoriu (reflexie, refracţie, interferenţă, difracţie,
polarizare).
In alte fenomene se manifestă aspectul corpuscular
(emisia radiaţiei electromagnetice, absorbţia luminii,
efectul fotoelectric).
►
Energia unui foton este dată de relaţia lui Planck:
unde: h=6,625.10-34 Js este constanta lui Planck, iar ν – frecvenţa radiaţiei respective.
În procesul fotoelectric, fotonii vor fi absorbiţi de electronii din interiorul metalului.
Fiecare electron nu poate absorbi decât un singur foton, primind astfel energia dată
de relaţia (1).
► Dacă ν> νprag, o parte din această energie este utilizată pentru a învinge bariera
de potenţial, restul rămânând sub formă de energie cinetică fotoelectronului. Astfel
bilanţul energetic pentru procesul de ciocnire dintre foton si electron se scrie:
►
►
unde A= hνprag este lucrul mecanic de ieşire a unui electron din catod.
►
Cu ajutorul acetei relatii, propuse de Einstein, pot fi explicate legile efectului
fotoelectric extern.
Pentru studiul legilor efectului fotoelectric extern se foloseste celula
fotoelectrica (fig. 1) alcătuită din: un balon de sticlă vidat; o buclă
metalică centrală ce constituie anodul, şi o suprafaţă metalică ce
constituie catodul.
Introducând celula în circuitul din fig. 2, se constată că în absenţa iluminării intensitatea
curentului este zero. Trimiţând un fascicul de radiaţii asupra catodului se observă apariţia
unui curent chiar dacă tensiunea aplicată celulei este zero. Aceasta se explică prin faptul
că electronii emişi prin efect fotoelectric au energie cinetică suficientă pentru a ajunge la
anod şi a închide astfel circuitul. Se constată că intensitatea fotocurentului depinde de
iluminarea fotocadului şi de tensiunea aplicată celulei:
VERIFICAREA LEGILOR EFECTULUI FOTOELECTRIC EXTERN
DETERMINAREA CONSTANTEI LUI PLANK
1. PRINCIPIUL LUCRĂRII:
Efectul fotoelectric extern este un proces de interacţiune dintre radiaţia electromagnetică şi
substanţă şi constă în emisia de electroni de pe suprafaţa unui metal iradiată cu radiaţie
luminoasă. Legile efectului fotoelectric extern nu pot fi explicate pe baza electrodinamicii
clasice. Interpretarea cuantică a efectului fotoelectric ca un proces constând dintr-o ciocnire
perfect plastică dintre fotonii de radiaţie electromagnetică şi electronii liberi din metale a fost
dată de A. Einstein. Conform acestei interpretări, energia Ef = h a unui foton care participă la
acest proces este în parte utilizată pentru efectuarea lucrului mecanic de extracţie (Le) a
electronului din metal, restul fiind transferată fotoelectronului sub formă de energie cinetică:
m0 v 2
(1)
h  Le 
2
In acestă lucrare se verifică două din legile efectului fotoelectric extern:
-1. Există o frecvenţă minimă (de prag) a radiaţiei incidente, sub a cărei valoare electronii nu
mai sunt expulzaţi (v = 0). Impunând în relaţia (1) condiţia v = 0 pentru rezultă:
h 0  Le
(2)
Frecvenţa de prag, o şi lucrul de extracţie depind de natura substanţei iradiante.
-2. Energia cinetică a fotoelectronilor este proporţională cu frecvenţa radiaţiei incidente. Întradevăr din relaţia (1) [i (2) rezultă:
m0v 2
Ec 
 h  0 
2
(3)
Se observă că Ec >=0 pentru .
Dacă se aplică fotoelectronilor un potenţial de frânare, US care să-i oprească la suprafaţa
metalului atunci, Ec = eUs şi din relaţia (3) rezultă:
Us 
h
h
  0
e
e
(4)
In această lucrare, utilizând o celulă fotoelectrică se verifică cele două legi în modul următor.
Se traseză caracteristica voltampermetrică a celulei cu scopul determinării potenţialului de
frânare Uo pentru radia]ii de diferite frecven]e (fig. 1). Reprezentând grafic Us = f () se pune în
evidenţă existenţa frecvenţei de prag şi dependenţa liniară a energiei cinetice a fotoelectronilor
de frecvenţă, (fig. 2)
In plus pe baza relaţiei (4), din panta dreptei Us = f () se determină constanta lui Plank a cărei
valoare este apropiată de cea obţinută din studiul radiaţiei corpului
negru.IUn1n2n3n4U1U2U3U4n0n1n2n3n4Fig. 1U1U2U3U4Un
2.Montaj experimental:
G
220V
+
A
2v -
P
V
CFE
Tr
S
K
220 V
A
F
Schema de principiu a montajului experimental utilizat este redată în figura 3.
Unde: A-alimentator; G-galvanometru; CFE-celulă fotoelectrică; S-sursă de lumină; P-reostat; V
voltmetru; F-filtru culoare; TR-transformator.
3. Modul de lucru şi prelucrarea datelor: Se verifică montajul experimental; Se alimentează la
tensiune alternativă de 220 V (priză) alimentatorul A şi transformatorul Se intercalează între
sursa S şi celula fotoelectrică filtrul albastru (1 = 5,607 1014 Hz). Se deblochează
galvanometrul G. Se citeşte valoarea curentului pentru U = 0. Se măreşte tensiunea U din 5 în
5 diviziuni, citind valorile corespunzătoare ale curentului. Se determină exact valoarea Us,
pentru care I = 0. Se înlocuieşte filtrul albastru cu filtrele: verde (2 = 5,217 1014 Hz), galben (3
= 4.831 1014 Hz), roşu (4 = 4,098 1014 Hz) şi se repetă operaţiile de la punctul c.. Se
reprezintă grafic, în cadranul II, I = f(U), (vezi fig. 1), şi Us = f(), (vezi fig. 2). Se determină
constanta lui Plank folosind relaţia (4) şi graficul obţinut conform figurii. Se determină frecvenţa
de prag o (conf, fig. 2). Obţional se va utiliza metoda celor mai mici pătrate. Se calculează
lucrul de extracţie, Le cu ajutorul relaţiei (2), exprimându-se atât în j cât şi în eV.
CELULA FOTOELECTRICĂ
Grupa a-IV - a
► Burdusel
►
►
►
►
►
Diana
Carstocea Isabela
Joinel Iulia
Miclea Diana
Panait Andrei
Pisau Raluca
APLICATII ALE
EFECTULUI
FOTOELECTRIC
Aplicatii practice ale efectului fotoelectric
► 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.
Celula fotoelectrică
► Celula
fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de
sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune
redusa care are in interior doi electrozi : catodul (C)
format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K)
depus pe o portiune din peretele tubului si anodul (A).
format dintr-o retea de inel sau bobita metalica.
► Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile)
fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod
datorita campului electric produs de tensiunea dintre
C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un
curent electric, indicat de galvanometru „G”. Deci
celula fotoelectrica transforma un semnal luminos
intr-un semnal electric.
► Celulele
fotoelectrice cu vid sunt mai putin
sensibile (curentul fotoelectric se stabileste la
valori mai mari ale fluxului radiatiilor
electromagnetice), dar sunt lipsite de inertie
(intensitatea curentului fotoelectric urmareste
prompt si liniar variatia fluxului luminos care
cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai
sensibile dar prezinta o inertie determinata de
procesele ce se produc in cazul din tub.

Celula fotoelectrica este
un dispozitiv care
actioneaza ca un
intrerupator al unui
circuit electric.
Intreruperea fasciculului
de lumina incident pe
emiterul fotocelulei
determina oprirea
producerii efectului
fotoelectric. Circuitul
electromagnetului se
deschide ceea ce
determina inchiderea
circuitului de alarmare.
Bariera optică cu fascicule multiple
Senzori de lumină folosiţi pentru
deschidere şi închiderea automată
Senzor de lumină
Detector de
culoare
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 intro 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.
Releul fotoelectric
Releul fotoelectric este un releu electromagnetic
comandat de o celula fotoelectrica.
La releul fotoelectric lumina cade pe fotocatod
(Cs, Na) si detrmina aparitia unui fotocurent de
intensitate I f care, dupa amplificare, trece prin
electromagnetul Em al carui camp magnetic
provoaca inchiderea circuitului comandat.
Datorita comenzii rapide, practic fara inertie,
releul fotoelectric este folosit la numararea
unor corpuri, la conectarea automata a
retelei de iluminat, la comanda actionarii
usilor etc.
Numărătorul
de obiecte
Lampă cu
aprindere pe
bază de
releu fotoelectric
Deschiderea automată a uşilor
Fotomultiplicatorul
► Este
un tranductor lumina-curent, adica un
dispozitiv care transforma semnalul luminos in
semnal eletric. Este realizat din asocierea unui
multiplicator cu o fotocelula.
► In televiziune fotomultiplicatorul se aplica la
sistemele de
captare a imaginilor.
► Este folosit si
la detectia
radiatiilor nucleare.
Panoul solar
Un
panou solar fotovoltaic
transformă energia luminoasă din
razele solare
direct în energie electrică.
Componentele principale ale panoului
solar reprezintă celulele solare.
Panourile solare se utilizează separat
sau legate în baterii pentru alimentarea
consumatorilorindependenţi sau
pentru generarea de curent
electric ce se livrează în reţeaua
publică.
Un panou solar este caracterizat prin
parametrii săi electrici cum ar fi
tensiunea de mers în gol sau
curentul de scurtcircuit