320. Zasada zachowania energii w zjawisku fotoelektrycznym.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Fizyka mikroświata.
Podstawy fizyki atomu.
Fizyka cząstek elementarnych.
Podstawy fizyki kwantowej.
Światło.
Światło jako cząstka.
Foton.
Kwant.
Energia fotonu.
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.
Zasada zachowania energii w zjawisku fotoelektrycznym.

W zjawisku fotoelektrycznym światło przejawia naturę falową - korpuskularną (cząsteczkową).

Istnieją inne zjawiska, które tłumaczymy korzystając z korpuskularnej teorii światła. Do zjawisk tych należą:
- emisja i absorpcja światła przez pojedyncze atomy i cząsteczki;
- zjawisko Comptona (odbicie fotonów promieni Rentgena na elektronach).

Zjawisko fotoelektryczne polega na tym, że światło padając na powierzchnię metalu wybija z jego powierzchni elektrony. Elektrony te nazywamy fotoelektronami.

Doświadczalne zaobserwowane właściwości tego zjawiska to:
- istnienie granicznej długości fali świetlnej wywołującej zjawisko;
- dla fal dłuższych niż graniczna wielkość zjawisko nie zachodzi - niezależnie od natężenia światła;
- dla światła o długości wywołującej zjawisko ilość wybitych elektronów rośnie ze wzrostem natężenia światła.

Stwierdzone eksperymentalnie cechy zjawiska nie dają się wytłumaczyć za pomocą falowej teorii światła. Wyjaśnienie zjawiska jest możliwe po przyjęciu koncepcji kwantowej natury światła czyli istnienia fotonów.

Teoria ta zakłada, że światło o określonej częstotliwości przenosi energię w ściśle określonych porcjach - fotonach. Wartość energii w jednej porcji światła czyli kwant energii światła równy jest iloczynowi stałej Plancka i częstotliwości światła.

W modelu zjawiska fotoelektrycznego wykorzystujemy zasadę zachowania energii - kwant energii (energia fotonu) wywołujący zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne rozdziela się na dwie części:
stałą dla danego metalu wartość – tzw. pracę wyjścia elektronu z powierzchni metalu;
energię kinetyczną elektronu (energia ruchu fotoelektronu).

Równanie opisujące zasadę zachowania energii dla zjawiska fotoelektrycznego nazywane jest równaniem Millikena-Einsteina.

Przykład

Światło o długości 400 nanometrów wywołuje efekt fotoelektryczny w cezie o pracy wyjścia W=2,14eV. Jakie jest potrzebne napięcie hamowania do zatrzymania fotoelektronu?

Napięcie hamowania wyszło ujemne – to dobrze, bo musi być odpychanie. Elektron ma ładunek ujemny więc elektroda o ładunku (i potencjale) ujemnym będzie elektron odpychać i zatrzymywać.

Do obliczenia napięcia hamowania wykorzystaliśmy energię kinetyczną fotoelektronu. Po zahamowaniu elektron będzie ma energię równą zero. Oznacza to, że praca napięcia hamującego jest ujemna i równa, co do wartości bezwzględnej, wartości energii kinetycznej.