Zjawisko fotoelektryczne

Obserwacja zjawiska fotoelektrycznego

Promieniowanie elektromagnetyczne padające na naelektryzowaną płytkę wybijają z niej elektrony. Możemy mierzyć prąd elektryczny powstający na skutek tego wybicia w lampie próżniowej. Podobne zjawisko możemy zaobserwować w warstwach półprzewodników. Zjawisko to wykorzystano do budowo fotokomórek i fotorezystorów.

Niezwykłość zjawiska

W zjawisku tym początkowo niezrozumiały był fakt, że przy danej długości fali promieniowania większe natężenie fali nie powodowało wzrostu energii wybijanych elektronów. Natomiast decydowała o tym częstotliwość tej fali. Na rysunku pokazano wykres w zależności od napięcia hamowania.

Interpretacja zjawiska fotoelektrycznego

Zjawisko fotoelektryczne jest przykładem dualizmu falowo-korpuskularnego. W danym zjawisku może się przejawiać jedna z natur obiektów biorących w nim udział: albo natura falowa, albo cząsteczkowa (korpuskularna). Promieniowanie elektromagnetyczne w zjawisku fotoelektrycznych zachowuje się jak cząstka. Pojedyncza cząstka promieniowania elektromagnetycznego nazywana fotonem uderza w elektron. Oddaje mu całą swoją energię i znika. Elektron wykorzystuje część energii na pracę polegającą na oderwaniu się od siatki krystalicznej metalu w którym się znajduje i wyjściu na zewnątrz (nazywamy ją pracą wyjścia). Reszta energii zachowana jest przez elektron jako energia kinetyczna (ruchu). Część tej energii elektron mógł stracić na zderzenia z innymi elektronami. Zatem tylko niektóre elektrony będą posiadać energię równą różnicy energii fotonu i pracy wyjścia.

Praca wyjścia

Aby elektron mógł opuścić metal jego energia musi być większa niż praca wyjścia czyli energia z jaką uwięziony jest w metalu elektron. Każdy metal ma inną wartość tej pracy. Na wykresie kolorem czerwonym oznaczono natężenie prądu, które pojawia się w dla częstotliwości 1,04PHz (peta), a czarnym napięcie hamowania elektronu.

Symulacja java

Równanie zjawiska fotoelektrycznego

Energia fotonu zamienia się częściowo w pracę wyjścia, a reszta w energię kinetyczną (maksymalną gdy zderzenie jest centralne).

E_f= W + E_k

Gdy podstawimy do powyższego wzoru wzór na energię fotonu i energię kinetyczną.

${\displaystyle h\cdot f=W+\frac{1}{2}m\cdot v^2}$

Wykorzystanie zjawiska fotoelektrycznego

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują  zjawisko zbliżone do zjawiska fotoelektrycznego. Zachodzi ono w tak zwanych półprzewodnikach. Energia fotonu powoduje przesunięcie ładunków elektrycznych w fotoogniwie wytwarzając różnicę napięcia elektrycznego, umożliwiając przepływ prądu.

Fotodioda jest przykładem fotokomórki. Reaguje ona na światło. Możemy spotkać ją przykładowo w windzie kontrolując zamykanie drzwi.