A fényelektromos jelenség

A fényelektromos jelenség Fotoeffektus: Wilhelm Hallwachs (1859-1922) Alexandr Sztoletov (1839-1896) Fotoelektromos hatáson, fotoeffektuson azt a jelenséget értjük ha, egy fém felületét látható vagy ultraibolya fénnyel világítjuk meg, a fémből elektronok szabadulnak ki, de csak akkor ha, a fény frekvenciája meghalad egy kritikus küszöbértéket.

Kísérleti eredmény: A kilépő elektronok energiája nem függ a megvilágítás erősségétől. Függ a megvilágítás színétől, azaz a fény frekvenciájától.

Ha f=állandó, de a fény intenzitása (I) erősebb, akkor a fémből kilépő elektron energiája változatlan marad, csak az elektronok száma nő meg. Klasszikus elektromosságtan szerint: Erősebb fényben az elektromos térerősség nagyobb, tehát az I-től kellene függnie a kiszakított elektronok energiájának

Ha a megvilágítás gyenge, percekig kellene várni az elektron kiszakításához, hogy elegendő energia gyűljön össze. Ezzel szemben: azonnal megindul az elektronok kilépése. Ha fémre eső fény frekvenciája a küszöbérték alatt van, nem lépnek ki elektronok a fémből (bármilyen nagy I esetén)

Magyarázat: Einstein fotonmodelljéből A fém felszínéről egy elektron kiszakításához valamekkora minimális energiára, úgynevezett kilépési munkára van szükség (Wki) A kilépési munka: a fém anyagára jellemző 1-10 eV körüli érték. 1 eV (elektronvolt) = 1,6 10-19 J

Az elektronok csak akkor lépnek ki a fém felszínéről, ha a fémet megvilágító fényben az energiaadagok, vagyis a foton energiája nagyobb vagy egyenlő a kilépési munkánál: h∙f≥Wki Egy elektron kiszakításában egy foton vesz részt.

Einstein formula: A foton energiája fedezi az elektron kilépési munkáját, a többletenergia a kilépő elektron mozgási energiáját szolgáltatja.

Fotocella: A fotoeffektus alapján működik. Anóddal és katóddal ellátott vákuumcsövek. A katódot egy ablakon keresztül megvilágítjuk. A katódot olyan anyaggal vonják be, hogy az elektronok könnyen kiléphessenek pl.:alkálifémek.

A katódból kilépő elektronokat negatív katód taszítja, a pozitív anód viszont vonzza, áram indul meg a körben, amit az árammérő műszer jelez. A fény érzékelésnek számos gyakorlati megvalósítását így oldják meg. Pl.: ajtók kapuk nyitása, zárása, fotoellenállások, fotodiódák.

A feszültségforrás polaritását megfordítjuk és tolóellenállással változtassuk a fotocella ellenfeszültségét. Tapasztalat: A fotoáram csak egy bizonyos ellenfeszültség (Uellen) elérésekor szűnik meg. A fotoáram a fotocella függvényében:

A megvilágítás erősségétől függetlenül minden esetben ugyanakkora ellenfeszültség esetén szűnik meg a fotoáram. Magyarázat: azonos frekvenciájú fény esetén a kilépő elektronok maximális mozgási energiája ugyanakkora, melyet csak meghatározott értéket elérő ellentér tud lefékezni.

Ha a fotocellára eső feszültség nulla, akkor is érzékelhetünk áramot (a fotokatódról kilépő elektronok eljutnak az anódig). Az áram nem növekedhet akármilyen nagyra. (megvilágítás erősségétől függ)

Az Einstein formulát alkalmazva: e∙Uellen=h∙f-Wki Az ellentér munkája a frekvencia függvényében: Az egyenes meredeksége megadja a h Planck-állandót. A tengelymetszet a kilépési munka (Wki) h=6,4∙10-34 Js