Efectul fotoelectric externEfectul fotoelectric extern

Moales AndreiMoales Andrei

Colegiul Tehnic “Dorin Pavel”Colegiul Tehnic “Dorin Pavel”

Legile efectului Legile efectului fotoelectric fotoelectric

extern si extern si interpretareinterpretare

► DEFINITIE: DEFINITIE: Prin efect fotoelectric extern se intelege Prin efect fotoelectric extern se intelege  emisia de electroni dintr-un material sub  emisia de electroni dintr-un material sub actiunea radiatiei electromagnetice incidente. actiunea radiatiei electromagnetice incidente. Există şi efect fotoelectric intern, care constă în Există şi efect fotoelectric intern, care constă în generarea unor purtători de sarcină liberi în generarea unor purtători de sarcină liberi în interiorul unui semiconductor sub acţiunea interiorul unui semiconductor sub acţiunea radiaţiei electromagneticeradiaţiei electromagnetice..

► DESCOPERIRE: DESCOPERIRE: Efectul fotoelectric, descoperit de Efectul fotoelectric, descoperit de Hertz în 1890, nu a putut fi explicat pe baza Hertz în 1890, nu a putut fi explicat pe baza teoriei ondulatorii. A fost explicat în 1904 de către teoriei ondulatorii. A fost explicat în 1904 de către Einstein pe baza teoriei corpusculare a luminii Einstein pe baza teoriei corpusculare a luminii (lumina este emisă, se propagă şi este absorbită (lumina este emisă, se propagă şi este absorbită în mod discontinuu sub formă de fotoni).în mod discontinuu sub formă de fotoni).

EFECTUL FOTOELECTRIC

Emisia de electroni de către un corp aflat sub acţiunea radiaţiei electromagnetice.

1. Intensitatea fotocurentului electric de saturaţie este proporţională cu fluxul radiaţiilor incidente, când frecvenţa este constantă.

LEGI:

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 fotoelectricLegile 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 Max Planck (1900) a revenit la teoria revenit la teoria corpusculară a luminii, corpusculară a luminii, formulând ipoteza formulând ipoteza cuantică a emisiei cuantică a emisiei radiaţiei luminoase.radiaţiei luminoase.

► Albert Einstein a fost Albert Einstein a fost însă cel care a extins însă cel care a extins ideile lui Planck şi a ideile lui Planck şi a introdus noţiunea de introdus noţiunea de foton pentru particular foton pentru particular de lumină.de lumină.

Caracteristicile fotonului

masa de repaus m0 = 0

viteza în vid c = 3.108 m/s

energia e = h = mc2

impulsulp = mc = h/c = h/

sarcina electrică q = oEinsteinEinstein

PlanckPlanck

► Astăzi se acceptă că lumina este de natură Astăzi se acceptă că lumina este de natură electromagnetică şi că are un character dual: electromagnetică şi că are un character dual: ondulatoriu şi corpuscular.ondulatoriu şi corpuscular.

► In anumite fenomene se manifestă aspectul In anumite fenomene se manifestă aspectul ondulatoriu (reflexie, refracţie, interferenţă, ondulatoriu (reflexie, refracţie, interferenţă, difracţie, polarizare).difracţie, polarizare).

► In alte fenomene se manifestă aspectul In alte fenomene se manifestă aspectul corpuscular (emisia radiaţiei electromagnetice, corpuscular (emisia radiaţiei electromagnetice, absorbţia luminii, efectul fotoelectric).absorbţia luminii, efectul fotoelectric).

► Energia unui foton este dată de relaţia lui Planck:Energia unui foton este dată de relaţia lui Planck:                                                                                                                      

unde: unde: h=6,625.10-34 Jsh=6,625.10-34 Js este constanta lui Planck, iar este constanta lui Planck, iar νν – frecvenţa radiaţiei – frecvenţa radiaţiei respective.respective.

► În procesul fotoelectric, fotonii vor fi absorbiţi de electronii din interiorul În procesul fotoelectric, fotonii vor fi absorbiţi de electronii din interiorul metalului. Fiecare electron nu poate absorbi decât un singur foton, metalului. Fiecare electron nu poate absorbi decât un singur foton, primind astfel energia dată de relaţia (1).primind astfel energia dată de relaţia (1).

► Dacă Dacă ν> νpragν> νprag, o parte din această energie este utilizată pentru a învinge , o parte din această energie este utilizată pentru a învinge bariera de potenţial, restul rămânând sub formă de energie cinetică bariera de potenţial, restul rămânând sub formă de energie cinetică fotoelectronului. Astfel bilanţul energetic pentru procesul de ciocnire fotoelectronului. Astfel bilanţul energetic pentru procesul de ciocnire dintre foton si electron se scrie:dintre foton si electron se scrie:

                                                                                                      

► unde unde AA= = hνpraghνprag este lucrul mecanic de ieşire a unui electron din catod. este lucrul mecanic de ieşire a unui electron din catod.

► Cu ajutorul acetei relatii, propuse de Einstein, pot fi explicate legile Cu ajutorul acetei relatii, propuse de Einstein, pot fi explicate legile efectului fotoelectric extern.efectului fotoelectric extern.

Pentru studiul legilor efectului fotoelectric extern se foloseste Pentru studiul legilor efectului fotoelectric extern se foloseste celula fotoelectrica (fig. 1) celula fotoelectrica (fig. 1) alcătuită din: un balon de sticlă vidat; alcătuită din: un balon de sticlă vidat;

o buclă metalică centrală ce constituie anodul, şi o suprafaţă o buclă metalică centrală ce constituie anodul, şi o suprafaţă metalică  ce constituie catodul.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 VERIFICAREA LEGILOR EFECTULUI FOTOELECTRIC EXTERN DDETERMINAREA CONSTANTEI LUI PLANKETERMINAREA CONSTANTEI LUI PLANK

1. 1. PRINCIPIUL LUCRĂRII:PRINCIPIUL LUCRĂRII: Efectul fotoelectric extern este un proces de interacţiune dintre radiaţia Efectul fotoelectric extern este un proces de interacţiune dintre radiaţia electromagnetică şi substanţă şi constă în emisia de electroni de pe suprafaţa unui 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 metal iradiată cu radiaţie luminoasă. Legile efectului fotoelectric extern nu pot fi explicate pe baza electrodinamicii clasice. Interpretarea cuantică a efectului explicate pe baza electrodinamicii clasice. Interpretarea cuantică a efectului fotoelectric ca un proces constând dintr-o ciocnire perfect plastică dintre fotonii de 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. 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 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 este în parte utilizată pentru efectuarea lucrului mecanic de extracţie (Le) a electronului din metal, restul fiind transferată fotoelectronului sub formă de energie electronului din metal, restul fiind transferată fotoelectronului sub formă de energie cinetică:cinetică: (1)(1)

In acestă lucrare se verifică două din legile efectului fotoelectric extern: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 -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 electronii nu mai sunt expulzaţi (v = 0). Impunând în relaţia (1) condiţia v = 0 pentru rezultă:rezultă:

(2)(2)Frecvenţa de prag, o şi lucrul de extracţie depind de natura substanţeiFrecvenţa de prag, o şi lucrul de extracţie depind de natura substanţei iradiante.iradiante.

-2. Energia cinetică a fotoelectronilor este proporţională cu frecvenţa radiaţiei -2. Energia cinetică a fotoelectronilor este proporţională cu frecvenţa radiaţiei incidente. Într-adevăr din relaţia (1) [i (2) rezultă:incidente. Într-adevăr din relaţia (1) [i (2) rezultă:

(3)(3) Se observă că Ec Se observă că Ec >=>=0 pentru .0 pentru .

Dacă se aplică fotoelectronilor un potenţial de frânare, US care să-i opreascăDacă se aplică fotoelectronilor un potenţial de frânare, US care să-i oprească la la suprafaţa metalului atunci, Ec = eUs şi din relaţia (3) rezultă:suprafaţa metalului atunci, Ec = eUs şi din relaţia (3) rezultă:

(4)(4)

2

20vmLh e

eLh 0

0

20

2 h

vmEc

0e

h

e

hU s

In această lucrare, utilizând o celulă fotoelectrică se verifică cele două legi în In această lucrare, utilizând o celulă fotoelectrică se verifică cele două legi în

modul următor. Se traseză caracteristica voltampermetrică a celulei cu scopul modul următor. Se traseză caracteristica voltampermetrică a celulei cu scopul determinării potenţialului de frânare Uo pentru radia]ii de diferite frecven]e (fig. 1). 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 Reprezentând grafic Us = f () se pune în evidenţă existenţa frecvenţei de prag şi dependenţa liniară a energiei cinetice a fotoelectronilor de frecvenţă, (fig. 2)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 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 Plank a cărei valoare este apropiată de cea obţinută din studiul radiaţiei corpului negru.negru.IUIU11223344U1U2U3U4U1U2U3U40011223344Fig. 1U1U2U3U4UFig. 1U1U2U3U4U

2.2.Montaj experimental:Montaj experimental:

Schema de principiu a montajului experimental utilizat este redată în figura 3.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-Unde: A-alimentator; G-galvanometru; CFE-celulă fotoelectrică; S-sursă de lumină; P-

reostat; Vreostat; V vvooltmetru; F-filtru culoare; TR-transformator.ltmetru; F-filtru culoare; TR-transformator.3. 3. Modul de lucru şi prelucrarea datelor:Modul de lucru şi prelucrarea datelor: Se verifică montajul experimental; Se verifică montajul experimental; Se Se

alimentează la tensiune alternativă de 220 V (priză) alimentatorul A şi alimentează la tensiune alternativă de 220 V (priză) alimentatorul A şi transformatorul transformatorul Se intercalează între sursa S şi celula fotoelectrică filtrul albastru (1 Se intercalează între sursa S şi celula fotoelectrică filtrul albastru (1 = 5,607 1014 Hz). Se= 5,607 1014 Hz). Se deblochează galvanometrul G. Se citeşte valoarea curentului deblochează galvanometrul G. Se citeşte valoarea curentului pentru U = 0. Se măreşte tensiunea U din 5 în 5 diviziuni, citind valorile 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. 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 = 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 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).reprezintă grafic, în cadranul II, I = f(U), (vezi fig. 1), şi Us = f(), (vezi fig. 2). Se Se determină constanta lui Plank folosind relaţia (4) şi graficul obţinut conform figuriidetermină 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 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), mai mici pătrate. Se calculează lucrul de extracţie, Le cu ajutorul relaţiei (2), exprimându-se atât în j cât şi în eV.exprimându-se atât în j cât şi în eV.

F

V

G

A

S 220 V220V P KA-

+

2v

TrCFE

CELULA CELULA FOTOELECTRICFOTOELECTRICĂĂ

APLICATII ALE APLICATII ALE EFECTULUI EFECTULUI

FOTOELECTRICFOTOELECTRIC

Aplicatii practice ale efectului Aplicatii practice ale efectului fotoelectricfotoelectric

► Efectul fotoelectric, pe langa faptul ca a jucat un Efectul fotoelectric, pe langa faptul ca a jucat un rol important in confirmarea teoriei corpusculare rol important in confirmarea teoriei corpusculare a luminii, are si numeroase aplicatii practice.a luminii, are si numeroase aplicatii practice.

► Alarmele antifurt si sistemele automate de Alarmele antifurt si sistemele automate de deschidere a usilor utilizeaza adesea circuite cu deschidere a usilor utilizeaza adesea circuite cu celula fotoelectrica.Cand o persoana intrerupe celula fotoelectrica.Cand o persoana intrerupe fasciculul luminos, anularea brusca a curentului fasciculul luminos, anularea brusca a curentului activeaza un comutator care comanda o sonerie activeaza un comutator care comanda o sonerie sau o usa.Uneori sunt folosite radiatii UV sau IR sau o usa.Uneori sunt folosite radiatii UV sau IR la alarme, pentru ca sunt invizibile.la alarme, pentru ca sunt invizibile.

Celula fotoelectricăCelula fotoelectrică

► Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune redusa care are in interior doi electrozi : catodul (C) redusa care are in interior doi electrozi : catodul (C) format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K) format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K) depus pe o portiune din peretele tubului si anodul depus pe o portiune din peretele tubului si anodul (A).(A). format dintr-o retea de inel sau bobita metalica.format dintr-o retea de inel sau bobita metalica.

► Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile) Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile) fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod datorita campului electric produs de tensiunea dintre datorita campului electric produs de tensiunea dintre C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un curent electric, indicat de galvanometru „G”. Deci curent electric, indicat de galvanometru „G”. Deci celula fotoelectrica transforma un semnal luminos celula fotoelectrica transforma un semnal luminos intr-un semnal electric. intr-un semnal electric.

►Celulele fotoelectrice cu vid sunt mai putin Celulele fotoelectrice cu vid sunt mai putin sensibile (curentul fotoelectric se stabileste la sensibile (curentul fotoelectric se stabileste la valori mai mari ale fluxului radiatiilor valori mai mari ale fluxului radiatiilor electromagnetice), dar sunt lipsite de inertie electromagnetice), dar sunt lipsite de inertie (intensitatea curentului fotoelectric urmareste (intensitatea curentului fotoelectric urmareste prompt si liniar variatia fluxului luminos care prompt si liniar variatia fluxului luminos care cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai sensibile dar prezinta o inertie determinata de sensibile dar prezinta o inertie determinata de procesele ce se produc in cazul din tub.procesele ce se produc in cazul din tub.

Celula fotoelectrica Celula fotoelectrica este un dispozitiv este un dispozitiv care actioneaza ca un care actioneaza ca un intrerupator al unui intrerupator al unui circuit electric. circuit electric. Intreruperea Intreruperea fasciculului de lumina fasciculului de lumina incident pe emiterul incident pe emiterul fotocelulei determina fotocelulei determina oprirea producerii oprirea producerii efectului fotoelectric. efectului fotoelectric. Circuitul Circuitul electromagnetului se electromagnetului se deschide ceea ce deschide ceea ce determina inchiderea determina inchiderea circuitului de circuitului de alarmare.alarmare.

Bariera optică cu fascicule multipleBariera optică cu fascicule multiple

Senzori de lumină folosiţi pentru Senzori de lumină folosiţi pentru deschidere şi închiderea deschidere şi închiderea

automatăautomată

Detector de culoareSenzor de luminăSenzor de lumină

Multe detectoare Multe detectoare de fum folosesc de fum folosesc celule celule fotoelectrice fotoelectrice pentru a detecta pentru a detecta cantitati infime cantitati infime de fum, care de fum, care intrerup fluxul intrerup fluxul luminos si astfel luminos si astfel produc scaderea produc scaderea curentului curentului electric.electric.

Sonorul unui film Sonorul unui film (“coloana sonora”) (“coloana sonora”) poate fi inregistrat intr-poate fi inregistrat intr-o banda ingusta cu o banda ingusta cu innegrire variabila pe o innegrire variabila pe o margine laterala a margine laterala a peliculei. Lumina care peliculei. Lumina care traverseaza pelicula traverseaza pelicula este astfel “modulata”, este astfel “modulata”, iar semnalul de iesire iar semnalul de iesire al unui detector cu al unui detector cu celula fotoelectrica celula fotoelectrica urmareste fidel urmareste fidel frecventele din frecventele din coloana sonora.coloana sonora.

Releul fotoelectric este un releu Releul fotoelectric este un releu electromagnetic comandat de o celula electromagnetic comandat de o celula fotoelectrica.fotoelectrica.

La releul fotoelectric lumina cade pe La releul fotoelectric lumina cade pe fotocatod (Cs, Na) si detrmina aparitia unui fotocatod (Cs, Na) si detrmina aparitia unui fotocurent de intensitate fotocurent de intensitate I I f care,f care, dupa dupa amplificare, trece prin electromagnetul amplificare, trece prin electromagnetul EEm al m al carui camp magnetic provoaca inchiderea carui camp magnetic provoaca inchiderea circuitului comandat. Datorita comenzii circuitului comandat. Datorita comenzii rapide, practic fara inertie, releul fotoelectric rapide, practic fara inertie, releul fotoelectric este folosit la numararea unor corpuri, este folosit la numararea unor corpuri, la conectarea automata a retelei de la conectarea automata a retelei de iluminat, la comanda actionarii usiloriluminat, la comanda actionarii usilor etc. etc.

Releul fotoelectricReleul fotoelectric

Lampă cu aprindere pe bază de

releu fotoelectric

Deschiderea automată a uşilor

Numărătorul de obiecte

Fotomultiplicatorul Fotomultiplicatorul ► Este un tranductor lumina-curent, adica un Este un tranductor lumina-curent, adica un

dispozitiv care transforma semnalul luminos dispozitiv care transforma semnalul luminos in semnal eletric. Este realizat din asocierea in semnal eletric. Este realizat din asocierea unui multiplicator cu o fotocelula.unui multiplicator cu o fotocelula.

► In televiziune fotomultiplicatorul se aplica laIn televiziune fotomultiplicatorul se aplica la

sistemele de sistemele de

captare a imaginilor.captare a imaginilor.► Este folosit si Este folosit si

la detectia la detectia

radiatiilor nucleare.radiatiilor nucleare.

Panoul solarPanoul solarUn 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