Најважније из лекције
Фотоелектрични ефекат је процес ослобађања електрона из метала под дејством светлости.
Експериментални закони:
Експериментални закони:
- Постоји минимална гранична фреквенција зрачења испод које нема емисије електрона („црвена граница”).
- Зауставни напон \( U_z \) зависи од фреквенције зрачења, а не од интензитета.
- Струја засићења сразмерна је интензитету упадног зрачења.
- Емисија електрона је практично тренутна.
Фотоелектрични ефекат (фотоефекат) је појава емисије електрона са површине материјала (најчешће метала) под дејством светлости (електромагнетног зрачења).
Фотоелектрони су слободни електрони који су избачени са површине метала услед дејства светлости.
Појаву је крајем 19. века први уочио Хајнрих Херц током експеримената са радио-таласима.
Примена фотоефекта у пракси:
- Соларне ћелије (фотонапонски панели за производњу електричне струје);
- Уређаји за ноћно осматрање;
- Светломери (луксметри) у фотографији;
- Камере и анализа материјала.
Шта су фотоелектрони и како настају?
Фотоелектрони су обични електрони који се ослобађају и емитују са површине осветљеног метала када апсорбују енергију упадног електромагнетног зрачења.
Експеримент се изводи у вакуумској стакленој цеви са две електроде: катодом (негативна електрода на коју пада светлост) и анодом (позитивна електрода која привлачи емитоване електроне).
Зауставни напон (\( U_z \)) је најмања вредност инверзног (супротног) напона између електрода при којој струја кроз коло опада на нулу, јер електрично поље успева да заустави и најбрже емитоване електроне.
Струја засићења (сатурације) је максимална јачина фотострује која се постиже када сви електрони емитовани са катоде у јединици времена стигну до аноде.
Протицање струје постоји чак и када је напон између електрода једнак нули (\( U = 0 \)), јер неки избачени електрони поседују довољну почетну кинетичку енергију да сами стигну до супротне електроде.
Јачина струје засићења директно је сразмерна интензитету упадног зрачења (већи интензитет значи већи број избачених електрона у јединици времена).
Класична електромагнетна теорија (таласна теорија светлости) није могла да објасни експерименталне чињенице фотоефекта:
| Појава | Предвиђање класичне физике | Резултат експеримента |
|---|---|---|
| Зависност од фреквенције | Светлост било које фреквенције може изазвати фотоефекат ако се довољно дуго чека. | Постоји гранична (минимална) фреквенција испод које фотоефекат уопште не настаје („црвена граница”). |
| Време емисије електрона | Постоји кашњење док електрони не накупе довољно таласне енергије. | Емисија је тренутна (без мерљивог кашњења), чак и за светлост веома малог интензитета. |
| Зауставни напон и енергија | Зауставни напон зависи од интензитета светлости (већи интензитет = већа енергија таласа). | Зауставни напон не зависи од интензитета, већ искључиво зависи од фреквенције светлости. |
„Црвена граница” фотоефекта представља најмању фреквенцију (односно највећу таласну дужину) упадног зрачења која још увек може да изазове емисију електрона за дати материјал.
Алберт Ајнштајн је 1905. године објаснио фотоефекат полазећи од претпоставке да се светлост не простире само као талас, већ се емитује, преноси и апсорбује у одређеним дискретним порцијама енергије - квантима светлости (фотонима).
\[ E = h\nu \]
\( E \) - енергија фотона (\(\text{J}\))
\( h \) - Планкова константа (\(\text{J}\cdot\text{s}\))
\( \nu \) - фреквенција упадног зрачења (\(\text{Hz}\) или \(\text{s}^{-1}\))
\( h \) - Планкова константа (\(\text{J}\cdot\text{s}\))
\( \nu \) - фреквенција упадног зрачења (\(\text{Hz}\) или \(\text{s}^{-1}\))
При интеракцији, један фотон предаје целокупну своју енергију искључиво једном електрону:
- Ако је \( E = h\nu \) мања од енергије потребне за избијање електрона, фотоефекат се неће десити без обзира на трајање или јачину осветљења.
- Ако је \( E = h\nu \) довољно велика, електрон тренутно излеће из метала.
Црвена светлост има мању фреквенцију (мању енергију фотона) и често не може да изазове фотоефекат, док плава или ултраљубичаста светлост веће фреквенције лако избија електроне са исте металне површине.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (Лаки ниво): На металну плочицу пада светлост чија је фреквенција нижа од граничне фреквенције тог метала. Да ли ће повећање интензитета (јачине) светлости или дуже осветљавање плочице довести до појаве фотоелектричног ефекта? Обраложити одговор.
Одговор: Неће доћи до фотоефекта.
Образложење: Сваки фотон такве светлости има појединачну енергију \( E = h\nu \) која је мања од енергије потребне за ослобађање електрона. Повећањем интензитета само се повећава број фотона, али ниједан појединачни фотон нема довољно енергије да избије електрон.
Образложење: Сваки фотон такве светлости има појединачну енергију \( E = h\nu \) која је мања од енергије потребне за ослобађање електрона. Повећањем интензитета само се повећава број фотона, али ниједан појединачни фотон нема довољно енергије да избије електрон.
Задатак 2 (Средњи ниво): Током експеримента са фотоефектом, монохроматска светлост се замени другом светлошћу која има исту фреквенцију, али два пута већи интензитет. Како ће се променити:
а) вредност зауставног напона (\( U_z \)),
б) вредност струје засићења (\( I_s \))?
а) вредност зауставног напона (\( U_z \)),
б) вредност струје засићења (\( I_s \))?
а) Зауставни напон \( U_z \): Остаје непромењен, јер зауставни напон зависи искључиво од фреквенције упадног зрачења (\(\nu\)), а не од интензитета.
б) Струја засићења \( I_s \): Удвостручиће се, јер двоструко већи интензитет светлости доноси двоструко више фотона у јединици времена, чиме се избија двоструко више електрона.
б) Струја засићења \( I_s \): Удвостручиће се, јер двоструко већи интензитет светлости доноси двоструко више фотона у јединици времена, чиме се избија двоструко више електрона.
Задатак 3 (Тежи ниво): Како Ајнштајнова честична теорија светлости објашњава чињеницу да се фотоелектрони емитују тренутно (без кашњења) након укључивања извора, чак и при екстремно слабом интензитету светлости?
Одговор: Према Ајнштајновој теорији, апсорпција енергије је појединачни микроскопски судар „један фотон - један електрон”. Електрон не сакупља постепено енергију из таласног фронта кроз време, већ у једном тренутку апсорбује читав фотон. Уколико је фреквенција фотона изнад граничне, електрон одмах добија сву потребну енергију за напуштање метала, чиме се елиминише било какво временско кашњење.
