ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ


ΟΡΙΣΜΟΣ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ



Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μια μεταλλική επιφάνεια απελευθερώνει ηλεκτρόνια στο περιβάλλον όταν πάνω της προσπίπτει φως.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο κατά το οποίο μια μεταλλική επιφάνεια απελευθερώνει ηλεκτρόνια στο περιβάλλον όταν πάνω της προσπίπτει φως

Τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο εσωτερικό ενός αγωγού περιορίζονται στο χώρο που καταλαμβάνει ο αγωγός,από δυνάμεις που εμποδίζουν τη διάχυσή τους στο περιβάλλον.

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Όταν μια δέσμη φωτός προσπίπτει πάνω στην επιφάνεια του αγωγού κάποια ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια αρκετή για να υπερνικήσουν αυτές τις δυνάμεις και βγαίνουν από το μέταλλο (φωτοηλεκτρόνια).

ΜΕΛΕΤΗ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ


Για τη μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου θα χρησιμοποιήσουμε τη διάταξη του σχήματος.
Μέσα σε ένα σωλήνα υψηλού κενού τοποθετούμε δύο ηλεκτρόδια.Το πρώτο,που χρησιμεύει ως κάθοδος,έχει μεγάλη επιφάνεια,φέρει επίστρωση από ένα αλκαλιμέταλλο (Κ ή Cs) και όταν φωτίζεται εκπέμπει ηλεκτρόνια.Τα ηλεκτρόνια αυτά συλλέγονται από το δεύτερο ηλεκτρόδιο την άνοδο.Με τη βοήθεια μιας ποτενσιομετρικής διάταξης μπορούμε να μεταβάλλουμε την τάση που εφαρμόζεται στα ηλεκτρόδια.Τέλος,με ένα μικροαμπερόμετρο που παρεμβάλλεται στο κύκλωμα μπορούμε να μετρήσουμε την ένταση του ρεύματος που οφείλεται στα ηλεκτρόνια που εκπέμπει η φωτιζόμενη κάθοδος.Όταν η κάθοδος φωτίζεται εκπέμπει ηλεκτρόνια (φωτοηλεκτρόνια) τα οποία επιταχύνονται από το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ των ηλεκτροδίων και καταλήγουν στην άνοδο.

Ένα κύκλωμα φωτοκύτταρου.

Πειραματικά διαπιστώνεται ότι:
α) Εκπομπή φωτοηλεκτρονίων έχουμε μόνο όταν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη ή ίση μιας ορισμένης συχνότητας, η οποία είναι χαρακτηριστική για το μέταλλο.Αυτή η οριακή συχνότητα ονομάζεται συχνότητα κατωφλίου (f0).
β) Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που αποσπώνται από το μέταλλο ανά μονάδα χρόνου είναι ανάλογος της έντασης της φωτεινής ακτινοβολίας που προσπίπτει στο μέταλλο.
γ) Η ταχύτητα με την οποία εξέρχονται τα ηλεκτρόνια δεν εξαρτάται από την ένταση της φωτεινής ακτινοβολίας αλλά μόνο από τη συχνότητά της και αυξάνεται όταν η συχνότητα της ακτινοβολίας μεγαλώνει.
Το παρακάτω διάγραμμα παριστάνει την ένταση του ρεύματος σε συνάρτηση με την τάση μεταξύ ανόδου καθόδου στο κύκλωμα του παραπάνω σχήματος.Παρατηρήστε ότι για τάση μηδέν έχουμε ρεύμα,που σημαίνει ότι τα φωτοηλεκτρόνια εξέρχονται από την κάθοδο με κινητική ενέργεια που τους επιτρέπει να κινηθούν μέχρι την άνοδο.Ρεύμα έχουμε και για τάσεις λίγο μικρότερες από το μηδέν.Τάση αρνητική,εδώ,σημαίνει ότι η άνοδος έχει μικρότερο δυναμικό από την κάθοδο.Στην περίπτωση αυτή το ηλεκτρικό πεδίο μεταξύ ανόδου-καθόδου παρεμποδίζει τα ηλεκτρόνια που εξέρχονται από την κάθοδο να φτάσουν στην άνοδο.Εφόσον για κάποιες αρνητικές τιμές της τάσης έχουμε ρεύμα,η κινητική ενέργεια ορισμένων ηλεκτρονίων,όταν εξέρχονται από την κάθοδο,είναι αρκετά μεγάλη ώστε να υπερνικήσουν το αντιτιθέμενο ηλεκτρικό πεδίο και να φτάσουν στην άνοδο.
Η τάση (V0) στην οποία διακόπτεται το ρεύμα ονομάζεται τάση αποκοπής.

Διάγραμμα της έντασης του ρεύματος σε συνάρτηση με την τάση για διαφορετικές τιμές της έντασης της ακτινοβολίας

Το φαινόμενο δε μπορεί να εξηγηθεί μόνο από το γεγονός ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα.
Για να υπερνικήσει τις δυνάμεις που το συγκρατούν στο μέταλλο ένα ηλεκτρόνιο πρέπει να προσλάβει ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας.
Η ενέργεια αυτή ονομάζεται έργο εξαγωγής και συμβολίζεται με φ.Το έργο εξαγωγής ποικίλει από μέταλλο σε μέταλλο.
Το φως,ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα,μεταφέρει ενέργεια,επομένως,είναι αναμενόμενο ότι τα ηλεκτρόνια κάποιου μετάλλου μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια από το φως και να εξέλθουν από το μέταλλο.Η κλασική θεωρία όμως δε μπόρεσε να ερμηνεύσει το γεγονός,ότι η εξαγωγή ηλεκτρονίων από το μέταλλο και η κινητική ενέργεια με την οποία εξέρχονται εξαρτάται από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας και όχι από την ενέργεια που μεταφέρει η φωτεινή δέσμη που προσπίπτει στο μέταλλο,δηλαδή από την ένταση της ακτινοβολίας.

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΟΥ EINSTEIN


Το φαινόμενο ερμηνεύτηκε το 1905 από τον Einstein ο οποίος,επεκτείνοντας τις απόψεις του Planck,υπέθεσε ότι"το φως αποτελείται από μικρά πακέτα ενέργειας, που ονομάζονται κβάντα φωτός ή φωτόνια"
Η ενέργεια κάθε φωτονίου είναι:


E=h·f
όπου:
f η συχνότητά του φωτονίου και
h η σταθερά του Planck.
Κατά τον Einstein, κάθε φωτόνιο της δέσμης που φωτίζει την κάθοδο μεταδίδει όλη του την ενέργεια h·f σε ένα μόνο από τα ηλεκτρόνια του μετάλλου.Αν η ενέργεια h·f του φωτονίου είναι μικρότερη από το έργο εξαγωγής,το ηλεκτρόνιο δε μπορεί να εγκαταλείψει το μέταλλο.Εάν είναι μεγαλύτερη ή ίση με το έργο εξαγωγής φ το ηλεκτρόνιο εγκαταλείπει το μέταλλο με κινητική ενέργεια που υπολογίζεται από τη σχέση.

K=h·f-φ


(Φωτοηλεκτρική εξίσωση του Einstein )


Η φωτοηλεκτρική εξίσωση του Einstein ερμηνεύει όλα τα πειραματικά δεδομένα.Για να εξέλθει ένα ηλεκτρόνιο από το μέταλλο πρέπει:


h·f-φ ≥0


δηλαδή η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου να είναι μεγαλύτερη ή οριακά ίση με το έργο εξαγωγής h·f≥0 ή f≥φ/h.
Η συχνότητα fo=φ/h είναι η συχνότητα κατωφλίου.

Σχηματική παράσταση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Αν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα κατωφλίου η αύξηση της έντασης της προσπίπτουσας ακτινοβολίας συνεπάγεται αύξηση του αριθμού των φωτονίων που πέφτουν στην κάθοδο ανά μονάδα χρόνου και επομένως αύξηση του αριθμού των φωτοηλεκτρονίων που εξέρχονται από το μέταλλο στον ίδιο χρόνο.Τέλος όπως φαίνεται από τη φωτοηλεκτρική εξίσωση,η κινητική ενέργεια με την οποία εξέρχονται τα ηλεκτρόνια από κάποιο μέταλλο εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.


Η ΟΡΜΗ ΤΩΝ ΦΩΤΟΝΙΩΝ


Στην παράγραφο είδαμε ότι ένα σωμάτιο με μηδενική μάζα ηρεμίας-τέτοιο είναι το φωτόνιο-έχει ενέργεια E=p·c.Όμως είδαμε επίσης ότι η ενέργεια ενός φωτονίου είναι E=h·f.Εύκολα βρίσκει κανείς ότι p=h·f/c.Αν λάβουμε υπόψη ότι c=λ·f καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η ορμή του φωτονίου δίνεται από τη σχέση:

p=h/λ

Το φως στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμπεριφέρεται σαν ένα ρεύμα σωματιδίων (φωτονίων).Σε άλλες περιπτώσεις όμως το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα (π.χ. δίνει φαινόμενα συμβολής). Η σχέση είναι ιδιαίτερα σημαντική γιατί φωτίζει τη δυαδική φύση του φωτός.Συνδέει μία καθαρά σωματιδιακή ιδιότητα,όπως η ορμή,με μια καθαρά κυματική ιδιότητα,όπως το μήκος κύματος.Ο σύνδεσμος μεταξύ τους είναι η σταθερά του Planck.

physiclessons