Efectul fotoelectric extern Introducere si definitie

Παρουσίαση με θέμα: "Efectul fotoelectric extern Introducere si definitie"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 Efectul fotoelectric extern Introducere si definitie
Grupa Nr.1 Petrec Cristian Ioniță Sebastian Iordache Laura Joacă-Bine Radu Grup Școlar “Constantin Cantacuzino” Băicoi

2 Studiul efectului fotoelectric Definirea fenomenului fizic
Prin efect fotoelectric extern se înţelege emisia de electroni de către corpuri sub acţiunea radiaţiilor electromagnetice. Există şi efect fotoelectric intern, care constă în generarea unor noi purtători de sarcină liberi în interiorul unui semiconductor sub acţiunea radiaţiilor electromagnetice. Efectul fotoelectric, descoperit de Hertz în 1890, a fost explicat abia în 1904 de către Einstein pe baza teoriei corpusculare a luminii (lumina este emisă, se propagă şi este absorbită în mod discontinuu sub formă de fotoni).

3   Heinrich Hertz, in 1887, a constatat ca descarcarea electrica dintre doua sfere se producea mai usor daca avea loc in prezenta luminii ultraviolete. Aceasta e prima referire la efectul fotoelectric.     Wilhelm Hallwachs, in 1888, a observat ca lumina ultravioleta produce descarcarea unei sfere metalice incarcata negativ. Daca sfera este incarcata pozitiv descarcarea nu se producea, iar daca era masurata calitativ sarcina electrica, a sferei,cu ajutorul unui electroscop se constata ca ea crestea. Concluzia a fost ca sub actiunea luminii ultraviolete sfera de zinc emitea particule incarcate cu sarcina electrica negativa.     Thomson si Lenard, in 1889, au demonstrat ca lumina ultravioleta scoatea electroni din metalele pe care cadea.

4 Efectul fotoelectric extern este emiterea de electroni din materie în urma absorbţiei de radiaţie electromagnetică, de exemplu radiaţie ultravioletă sau raze X. Un termen învechit pentru efectul fotoelectric este efectul Hertz. Importanţa acestui fenomen în dezvoltarea domeniului fizicii constă în a sprijini dualitatea undă-corpuscul a radiaţiei electromagnetice. Explicaţia matematică a fenomenului a fost dată de Albert Einstein, pe baza unor ipoteze cuantice formulate de Max Planck.

5 Descriere Când o suprafaţă metalică e expusă unui flux de radiaţie electromagnetică poate să genereze, în anumite condiţii, electroni liberi, care produc un curent electric dacă sunt acceleraţi sub acţiunea unui câmp electric. Electronii emişi prin efectul fotoelectric se numesc fotoelectroni. Experimental s-a constatat că pentru a observa emisia de electroni este nevoie ca radiaţia electromagnetică să aibă o frecvenţă deasupra unei limite inferioare care depinde de natura materialului sau, echivalent, lungimea de undă trebuie să fie sub o anumită valoare. Intensitatea fluxului de radiaţie incident influenţează mărimea curentului electric produs, dar nu determină apariţia fenomenului..

6 Sub actiunea luminii, fotocatodul emite electroni care sunt atrasi de anod, iar microampermetrul A inregistreaza intensitatea curentului electric. Se observa ca pe masura ce U creste diferenta de potential U aplicata electrozilor, creste si intensitatea curentului fotoelectric, pana cand la o anumita valoare a tensiunii, intensitatea curentului atinge o valoare maxima, numita intensitatea curentului de saturatie Is. in acest moment, toti electronii emisi de fotocatod ajung la anod. Pentru U=0, curentul fotoelectric nu se anuleaza, ceea ce arata ca electronii care parasesc fotocatodul au viteze initiale diferite. Unii electroni au viteze, respectiv energii cinetice suficient de mari ca sa ajunga la anod in lipsa unei tensiuni de accelerare. Mai mult, unii electroni pot invinge chiar si o tensiune de franare, ceea ce explica faptul observat experimental ca, intensitatea curentului fotoelectric nu se anuleaza nici la tensiuni de franare mici, ci numai la o anumita valoare a tensiunii de franare, Uo.

7 Studiindu-se efectul fotoelectric exterior, s-au gasit urmatoarele caracteristici:
Intensitatea curentului de saturatie este direct proportionala cu fluxul incident pe suprafata catodului:. Energia cinetica initiala a electronilor variaza direct proportional cu frecventa luminii incidente si nu depind de intensitatea fluxului luminos incident. Pentru un catod dat, efectul fotoelectric nu se mai produce daca frecventa radiatiei incidente este mai mica decat o valoare numita frecventa de prag nprag. Efectul fotoelectric exterior se declanseaza practic instantaneu

8 Nutu Veronica, Ungureanu Daniela
Grupa a – II- a Druga Ioana, Marin Andreea, Toma Liviu, Nutu Veronica, Ungureanu Daniela

9 EFECTUL FOTOELECTRIC EXTERN
Fenomenul de emisie a electronilor din unele metale, sub actiunea radiatiilor electromagnetice cu lungimi de unda scurte, se numeste efect fotoelectric extern. Electronii extrasi astfel se numesc fotoelectroni.

10 Ce realizări ale lui Max Planck l-au inspirat pe Einstein?
Max Planck, fizician german, a ajuns - studiind radiaţia corpului negru - la concluzia că energia radiată de un corp sub forma undelor electromagnetice este emisă în mod discret doar ca multiplu al unei valori de bază dată de produsul dintre o constantă şi frecvenţa undelor electromagnetice emise: E=h*λ. Valoarea fixă a fost botezată constanta lui Planck, notată cu h şi are valoarea 6,626x10-34J*s, iar frecvenţa este dată în cazul spectrului vizibil de culoarea luminii. Pentru contribuţiile sale la stabilirea naturii discrete a energiei lui Max Planck i-a fost decernat în 1918 Premiul Nobel pentru fizică. Pornind de la concluziile lui Max Planck privind radiaţia corpului negru, Einstein a propus ideea că şi lumina se manifestă sub forma unor cuante de energie, numite ulterior fotoni, iar energia unui foton depinde de constanta lui Planck şi de frecvenţa radiaţiei electromagnetice corespunzătoare. Plecând de la aceste premise, Einstein a formulat o teorie care explică în detaliu ce se petrece la "bombardarea" unei suprafeţe metalice cu unde electromagnetice din zona razelor X sau a spectrului vizibil.

11 Interpretarea legilor efectului fotoelectric extern
Interpretarea legilor efectului fotoelectric extern. Ipoteza lui Einstein. Conceptia corpusculara a lui Planck privind existenta cuantelor de energie a constituit punctul de plecare pentru explicarea efectului fotoelectric de catre Einstein in 1905. Mecanismul este alcatuit dintr-un foton absorbit care cedeaza energia sa unui electron. Daca aceasta energie este suficienta pentru a elibera electronul de fortele care il leaga, el poate parasi suprafata materialului. Deoarece probabilitatea ca un electron sa absoarba simultan doi fotoni este foarte mica, inseamna ca fiecare electron smuls isi dobandeste energia de la un singur foton. Energia hn a unui foton care produce efectul fotoelectric este transformata integral astfel: o parte pentru a scoate electronul din atom si a-l desprinde de pe suprafata catodului (L-lucrul mecanic de extractie), iar reastul pentru miscarea electronului extras (energia cinetica Ec) h ν = L + Ec

12 In metale, in general, exista un numar mare de electroni liberi (nelegati de atom) ca urmare, prima parte a lucrului mecanic de extractie poate fi neglijata. Se explica astfel existenta pragului fotoelectric, care corespunde situatiei cand intreaga emisie a fotonului este consumata pentru extragerea fotonului si de asemenea se explica de ce pentru hν < eU0 efectul nu se mai produce. Pe de alta parte, energia totala cedata de unda in unitate de timp va fi N hν, unde N este numarul de electroni emisi in unitate de timp. Pornind de la aceasta relatie se poate explica legea a III-a a efectului fotoelectric, observand ca, la o frecventa mica a radiatiei avem nevoie pentru a produce efectul de un numar mare de fotoni, respectiv la o frecventa mai mare a radiatiei, avem nevoie de un numar mai mic de fotoni pastrand aceeasi intensitate luminoasa.

13 “Nu ne putem îndoi de faptul că teoria relativităţii a modificat profund concepţia noastră asupra spaţiului şi timpului. Aspectul cel mai incitant al acestei schimbări nu constă în natura ei specială, ci mai degrabă în faptul că ea a fost în genere posibilă.” Werner Heisenberg

14 “Există un acord general asupra ideii că investigaţiile lui Einstein au un merit fundamental mai presus de orice critică pe care am fi înclinaţi să le-o aducem. Ele ne-au determinat să gândim.” Alfred North Whitehead Albert Einstein

15 Proiect realizat de elevii clasei a XII-a A grupa a III-a:
Voicea Diana Baciu Anelis Jercan Denisa Gogonea Gentiana Radutu Ioana Profesor:Pisau Constantin

16 Legile efectului fotoelectric extern si interpretare

17 DEFINITIE: Prin efect fotoelectric extern se intelege  emisia de electroni dintr-un material sub actiunea radiatiei electromagnetice incidente. Există şi efect fotoelectric intern, care constă în generarea unor purtători de sarcină liberi în interiorul unui semiconductor sub acţiunea radiaţiei electromagnetice. DESCOPERIRE: Efectul fotoelectric, descoperit de Hertz în 1890, nu a putut fi explicat pe baza teoriei ondulatorii. A fost explicat în 1904 de către Einstein pe baza teoriei corpusculare a luminii (lumina este emisă, se propagă şi este absorbită în mod discontinuu sub formă de fotoni).

18 EFECTUL FOTOELECTRIC LEGI:
Emisia de electroni de către un corp aflat sub acţiunea radiaţiei electromagnetice. LEGI: 1. Intensitatea fotocurentului electric de saturaţie este proporţională cu fluxul radiaţiilor incidente, când frecvenţa este constantă. 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.

19 Efectul fotoelectric Legile 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).

20 Caracteristicile fotonului
Max Planck (1900) a revenit la teoria corpusculară a luminii, formulând ipoteza cuantică a emisiei radiaţiei luminoase. Albert Einstein a fost însă cel care a extins ideile lui Planck şi a introdus noţiunea de foton pentru particular de lumină. Planck Caracteristicile fotonului masa de repaus m0 = 0 viteza în vid c = m/s energia e = hn = mc2 impulsul p = mc = hn/c = h/l sarcina electrică q = o Einstein

21 Astăzi se acceptă că lumina este de natură electromagnetică şi că are un character dual: ondulatoriu şi corpuscular. In anumite fenomene se manifestă aspectul ondulatoriu (reflexie, refracţie, interferenţă, difracţie, polarizare). In alte fenomene se manifestă aspectul corpuscular (emisia radiaţiei electromagnetice, absorbţia luminii, efectul fotoelectric).

22 Energia unui foton este dată de relaţia lui Planck:
                                                            unde: h=6, Js este constanta lui Planck, iar ν – frecvenţa radiaţiei respective. În procesul fotoelectric, fotonii vor fi absorbiţi de electronii din interiorul metalului. Fiecare electron nu poate absorbi decât un singur foton, primind astfel energia dată de relaţia (1). Dacă ν> νprag, o parte din această energie este utilizată pentru a învinge bariera de potenţial, restul rămânând sub formă de energie cinetică fotoelectronului. Astfel bilanţul energetic pentru procesul de ciocnire dintre foton si electron se scrie:                                                     unde A= hνprag este lucrul mecanic de ieşire a unui electron din catod. Cu ajutorul acetei relatii, propuse de Einstein, pot fi explicate legile efectului fotoelectric extern.

23 Pentru studiul legilor efectului fotoelectric extern se foloseste celula fotoelectrica (fig. 1) alcătuită din: un balon de sticlă vidat; o buclă metalică centrală ce constituie anodul, şi o suprafaţă metalică  ce constituie catodul.

24 Introducând celula în circuitul din fig
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:

25 VERIFICAREA LEGILOR EFECTULUI FOTOELECTRIC EXTERN
DETERMINAREA CONSTANTEI LUI PLANK 1. PRINCIPIUL LUCRĂRII: Efectul fotoelectric extern este un proces de interacţiune dintre radiaţia 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 explicate pe baza electrodinamicii clasice. Interpretarea cuantică a efectului 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. 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 electronului din metal, restul fiind transferată fotoelectronului sub formă de energie cinetică: (1) 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 electronii nu mai sunt expulzaţi (v = 0). Impunând în relaţia (1) condiţia v = 0 pentru rezultă: (2) Frecvenţa de prag, o şi lucrul de extracţie depind de natura substanţei iradiante. -2. Energia cinetică a fotoelectronilor este proporţională cu frecvenţa radiaţiei incidente. Într-adevăr din relaţia (1) [i (2) rezultă: (3) Se observă că Ec >=0 pentru . Dacă se aplică fotoelectronilor un potenţial de frânare, US care să-i oprească la suprafaţa metalului atunci, Ec = eUs şi din relaţia (3) rezultă: (4)

26 In această lucrare, utilizând o celulă fotoelectrică se verifică cele două legi în modul următor. Se traseză caracteristica voltampermetrică a celulei cu scopul 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 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 Plank a cărei valoare este apropiată de cea obţinută din studiul radiaţiei corpului negru.IU1234U1U2U3U401234Fig. 1U1U2U3U4U 2.Montaj experimental: 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-reostat; V voltmetru; F-filtru culoare; TR-transformator. 3. Modul de lucru şi prelucrarea datelor: Se verifică montajul experimental; Se alimentează la tensiune alternativă de 220 V (priză) alimentatorul A şi transformatorul Se intercalează între sursa S şi celula fotoelectrică filtrul albastru (1 = 5, Hz). Se deblochează galvanometrul G. Se citeşte valoarea curentului 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. Se înlocuieşte filtrul albastru cu filtrele: verde (2 = 5, Hz), galben (3 = Hz), roşu (4 = 4, 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). Se determină 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 mai mici pătrate. Se calculează lucrul de extracţie, Le cu ajutorul relaţiei (2), exprimându-se atât în j cât şi în eV.

27 CELULA FOTOELECTRICĂ

28 Grupa a-IV - a Burdusel Diana Carstocea Isabela Joinel Iulia
Miclea Diana Panait Andrei Pisau Raluca

29 APLICATII ALE EFECTULUI FOTOELECTRIC

30 Aplicatii practice ale efectului fotoelectric
Efectul fotoelectric, pe langa faptul ca a jucat un rol important in confirmarea teoriei corpusculare a luminii, are si numeroase aplicatii practice. Alarmele antifurt si sistemele automate de deschidere a usilor utilizeaza adesea circuite cu celula fotoelectrica.Cand o persoana intrerupe fasciculul luminos, anularea brusca a curentului activeaza un comutator care comanda o sonerie sau o usa.Uneori sunt folosite radiatii UV sau IR la alarme, pentru ca sunt invizibile.

31 Celula fotoelectrică Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune redusa care are in interior doi electrozi : catodul (C) format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K) depus pe o portiune din peretele tubului si anodul (A). format dintr-o retea de inel sau bobita metalica. Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile) fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod datorita campului electric produs de tensiunea dintre C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un curent electric, indicat de galvanometru „G”. Deci celula fotoelectrica transforma un semnal luminos intr-un semnal electric.

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

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

34 Bariera optică cu fascicule multiple

35 Senzori de lumină folosiţi pentru deschidere şi închiderea automată
Detector de culoare Senzor de lumină

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

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

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

39 Numărătorul de obiecte Lampă cu aprindere pe bază de releu fotoelectric Deschiderea automată a uşilor

40 Fotomultiplicatorul Este un tranductor lumina-curent, adica un dispozitiv care transforma semnalul luminos in semnal eletric. Este realizat din asocierea unui multiplicator cu o fotocelula. In televiziune fotomultiplicatorul se aplica la sistemele de captare a imaginilor. Este folosit si la detectia radiatiilor nucleare.

41 Panoul solar Un 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