Question

Witam. Czy może mi ktoś wyjaśnić na czym dokładnie polega prąd nasycenia w efekcie fotoelektrycznym, nie rozumiem czemu przy zwiększaniu napięcia w obwodzie, natężenie rośnie, ale tylko do pewnego stopnia(prąd nasycenia)? Proszę o odpowiedź, Dzięki

Answer 1

1. 1887r – Heinrich Hertz odkrywa zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wybijaniu elektronów z powierzchni metali pod wpływem padającego na
nie promieniowania elektromagnetycznego (światła) o odpowiedniej długości fali
2. 1905r – wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego przez A. Einsteina (za wyjaśnienie i matematyczny opis zjawiska
fotoelektrycznego A. Einstein otrzymał w 1921r Nagrodę Nobla wraz z Milianem, który przeprowadził serię
doświadczeń potwierdzających to zjawisko)
3. Aby wyjaśnić zjawisko fotoelektryczne A. Einstein przyjął, że:
I. Światło jest wiązką cząstek – fotonów
II. Energia fotonu (w języku korpuskularnym) jest proporcjonalna do częstości fali (w języku falowym)
h = 6,67 10
-34
Js - stała Plancka
n - częstotliwość promieniowania
l - długość fali
c – prędkość światła
III. Aby wyrwać elektron z metalu należy mu dostarczyć określonej energii, zwanej pracą wyjścia
4. Model zjawiska fotoelektrycznego zaproponowany przez A. Einsteina
Fotony o energii E=hn padają na powierzchnię metalowej płytki, w efekcie czego przekazują one swoją energię elektronom
znajdującą się w sieci krystalicznej metalu. Elektrony zużywają część tej energii na wyrwanie się z płytki. Energię potrzebną
elektronowi na wyrwanie się z metalowej płytki naz pracą wyjścia W. Pozostała część energii przekazanej przez foton
elektronowi stanowi energię kinetyczną wybitego z płytki elektronu.
Bilans energii zjawiska fotoelektrycznego można zapisać za pomocą równania:
hn = W + Ek
Wyrażenie to nosi nazwę równania Einsteina – Milikana
5. Komórka fotoelektryczna (fotokomórka)
Wykorzystując zjawisko fotoelektryczne zbudowano fotokomórkę, która znalazła wiele zastosowań.
Fotokomórkę wykorzystuje się np. w termostatach (do utrzymywania stałej temperatury w zamkniętych pomieszczeniach),
przy włączaniu i wyłączaniu np. oświetlenia ulicznego czy latarni morskich, otwieraniu drzwi, pomiaru czasu w biegach
sprinterskich, itd.
Fotokomórka jest to lampa próżniowa, która ma dwie elektrody. Jedną z nich jest zwykle warstwa metalu napylona na
wewnętrzną stronę szklanej bańki próżniowej, nazywamy ja katodą. Drugą elektrodę stanowi wygięty drut metalowy,
znajdujący się wewnątrz lampy, izolowany elektrycznie od pierwszej elektrody nazywany anodą.
Nie oświetlona fotokomórka nie przewodzi prądu elektrycznego. Prąd może się pojawić jeżeli katoda zostanie oświetlona
światłem.
6. Prawa zjawiska fotoelektrycznego
I. Dla każdego metalu istnieje pewna najniższa częstotliwość światła (największa długość fali), poniżej której
zjawisko nie zachodzi
II. Ilość wybijanych z powierzchni metalu elektronów jest proporcjonalna (dla częstotliwości powyżej granicznej)
do natężenia światła padającego na jego powierzchnię
III. Energia kinetyczna wybijanych z powierzchni metalu elektronów nie zależy od natężenia padającego na
metalową płytkę światła, lecz od jego częstotliwości
IV. Zjawisko jest natychmiastowe. Emisja elektronów z powierzchni metalu następuje po ok. 10
-9
s od naświetlenia
płytki.
7. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne
Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na tym, że pod wpływem oświetlenia wewnątrz półprzewodników pojawiają
się nośniki prądu. W ten sposób zmieniają się własności elektryczne elementów półprzewodnikowych. Długości fal
l
n
hc
E h
f
= =
anoda + katoda - wywołujących zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne są o wiele większe niż w przypadku zjawiska fotoelektrycznego
zewnętrznego i sięgają nawet podczerwieni.
Zjawisko to jest podstawą działania fotoogniw, fotorezystorów itp. Fotoogniwa są wykorzystywane m.in. do zasilania
kalkulatorów i satelitów a fotorezystory w układach sterujących pracą telewizora za pomocą pilota.
8. Układ eksperymentalny do badania zjawiska fotoelektrycznego (i napięcia hamowania)
Przyłożenie napięcia między katodę i anodę nie powoduje przepływu prądu gdyż obwód jest
otwarty.
Po oświetleniu fotokatody następuje emisja elektronów, które dobiegając do anody zamykają
obwód, co powoduje przepływ prądu w tym obwodzie.
Prąd o małym natężeniu można zaobserwować także wtedy, gdy w obwodzie nie ma źródła
napięcia. Świadczy to o tym, że elektrony, opuszczając fotokatodę, mają energię kinetyczną i
dobiegają do anody.
Zależność natężenia prądu I płynącego przez fotokomórkę od napięcia między katodą i anodą, przy stałym
oświetleniu fotokatody, przedstawia wykres I(U).

Prawo Ohma nie stosuje się do prądu fotokomórki, gdyż zależność I(U) nie jest funkcją liniową (jest funkcją liniową tylko
w pewnym zakresie).
Gdy napięcie wzrośnie do pewnej wartości, natężenie prądu osiąga wartość maxymalną. Prąd o max wartości I nazywamy
prądem nasycenia (przy pewnym napięciu do anody docierają wszystkie fotoelektrony, jakie opuszczają fotokatodę)
W celu zbadania energii fotoelektronów posługujemy się metodą pola hamującego, tzn przykładamy dodatni biegun
do fotokatody a ujemny do anody. Emitowane z fotokatody elektrony SA odpychane przez ujemną anodę. Jeśli napięcie
hamujące jest zbyt małe to dzięki posiadanej energii kinetycznej elektrony docierają do anody. W obwodzie płynie słaby
prąd. Istnieje jednak pewne ujemne napięcie o wartości Uh przy którym elektrony tracą całą Ek i nie docierają do anody
(I=0). Znając napięcie hamowania możemy obliczyć Ek najszybszych elektronów.
W=DEk, W=qU więc eUh = me v
2
/2
Ek fotoelektronów zależy od częstotliwości fali wywołującej fotoemisję.
Do uwolnienia elektronu z powierzchni metalu potrzebna jest energia W zw pracą wyjścia. Dostarczyć jej może tylko foton o
częstotliwości no = W/h lub większej. Z prawa zachowania energii wynika, że energia kinetyczna elektronu jest równa Ek =
hn -W.
Wykres zależności Ek od częstotliwości promieniowania dla 2 różnych metali o różnych pracach wyjścia W i W’ przedstawia
rys. Taki wykres można otrzymać eksperymentalnie. 9. Pęd fotonu
Foton jest cząstką, której masa spoczynkowa jest równa zeru. Foton można traktować jako poruszającą się cząstkę.
Podczas zderzenia fotonu z elektronem obowiązuje zasada zachowania energii oraz zasada zachowania pędu
pęd elektronu pe = me∙v
pęd fotonu pf = Ef/c = h/λ
1eV to energia, którą uzyskuje elektron przyśpieszony różnica potencjałów 1V.
1eV=eoU = 1.602 10
-19
C 1V= 1,602 10
-19
J
Doświadczenie MillikanaRównanie fotoelektryczne określa liniową zależność energii kinetycznej elektronu emitowanego w zjawisku
fotoelektrycznym od częstotliwości światła wywołującego to zjawisko. W przypadku danego światła
monochromatycznego i określonej pracy wyjścia (zależy ona od materiału z którego wykonana jest fotoelektroda)
maksymalna możliwa energia emitowanego elektronu E0 może być zmierzona. Określona jest ona przez napięcie
hamujące i wynosi eU0 (jest to praca wykonana nad elementarnym ładunkiem e przy pokonaniu różnicy
potencjałów, czyli napięcia U0). W swym doświadczeniu Millikan mierząc napięcia hamujące dla fotoelektrod
wykonanych z różnych materiałów i przy różnej częstotliwości uzyskał:
• liniowy charakter zależności, zgodny z równaniem fotoelektrycznym,
• występowanie częstotliwości progowej i jej pomiar w zależność od materiału fotoelektrody,
• oszacowanie pracy wyjścia W dla różnych materiałów,
• jednakowe nachylenie prostych niezależnie od materiału czyli uniwersalny charakter stałej Plancka.
Doświadczenie pozwoliło na dokładne wyznaczenie tej stałej.
W swym ważnym doświadczeniu Millikan wykazał poprawność równania fotoelektrycznego Einsteina, które z
kolei bazuje na hipotezie kwantowej Plancka. Dowodzi to fundamentalnej dwoistości natury światła. Jest ono z
jednej strony falą elektromagnetyczną o czym świadczą zjawiska interferencji, dyfrakcji i polaryzacji. Z drugiej
strony jest ono strumieniem bezmasowych kwantów energii promienistej, zwanych fotonami, o czym świadczą
zjawiska związane z emisją i absorpcją światła.