oh È fattofotoelettrico è un fenomeno fisico che consiste nell'emissione di elettroni da parte di determinati materiali, solitamente metallici, quando illuminati da onde elettromagnetiche di frequenze specifiche. In questo fenomeno, il leggero si comporta come un particella, trasferendo energia agli elettroni, che sono espulso fuori dal materiale.
Riepilogo sull'effetto fotoelettrico
Fenomeno fisico scoperto da Heinrich Hertz nel 1886;
Spiegato da Albert Einstein, nel 1905, attraverso la quantizzazione della luce proposta da Planck nel 1900;
Gli elettroni vengono espulsi solo se l'energia dei fotoni incidenti è maggiore o uguale alla funzione di lavoro del materiale;
L'energia cinetica degli elettroni espulsi dipende solo dalla frequenza della luce incidente;
L'intensità della luce influisce solo sul numero di elettroni espulsi ogni secondo.
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Storia dell'effetto fotoelettrico
Intorno al 1886, il fisico tedesco Heinrichhertz (1857-1894) effettuò diversi esperimenti per dimostrare l'esistenza di existence
onde elettromagnetiche. Per fare ciò, Hertz produceva scariche tra due elettrodi e, a volte, si rendeva conto che, quando illuminato, il catodo era in grado di produrre scariche elettriche più intense. Senza saperlo, Hertz aveva scoperto l'effetto fotoelettrico, attraverso l'emissione di raggicatodo.Due anni dopo le osservazioni di Hertz, J.J.Thomson dimostrato che le particelle emesse dalle lastre illuminate erano elettroni. Perciò, thomson ha dimostrato che il rapporto tra carica e massa (e/m) delle particelle del catodo era uguale a quello del elettroni— particelle scoperte da lui stesso alcuni anni prima.
Guardaanche: La scoperta dell'elettrone
Nel 1903, assistente di Hertz, filippinaLeonardo, sviluppato una serie di esperimenti al fine di stabilire una relazione tra i intensità luminosa e il energia degli elettroni emesso, Lenard concluse che non c'era dipendenza tra le due cose, come era prevedibile, secondo la conoscenza della fisica in quel momento. Un anno dopo, Schweilder riuscì a dimostrare che l'energia cinetica degli elettroni in uscita dalle piastre metalliche era direttamente proporzionale alla frequenza della luce che le illuminava.
I risultati ottenuti sperimentalmente contraddicevano la teoria classica di elettromagnetismo e divenne una grande sfida per i fisici dell'epoca per circa 18 anni. Nell'anno di 1905, Einstein fatto uso di una proposta presentata da Planck, spiegando in modo soddisfacente il operazione di effetto fotoelettrico. La proposta usata da Einstein si chiama quantizzazione del campo elettromagnetico. Nel 1900 Planck cercò in tutti i modi di spiegare il problema del corpo nero, ed è stato in grado di farlo solo suggerendo che la luce fosse quantizzata, cioè che avesse valori energetici multipli di una quantità minore. Sebbene Planck avesse capito che la sua impresa era solo un dispositivo matematico in grado di spiegare un fenomeno fisico, Einstein credeva che la luce fosse in realtà costituita da un gran numero di particelle che avevano energia. In futuro, tali particelle verrebbero chiamate fotoni.
Dopo la pubblicazione del suo articolo sull'effetto fotoelettrico, Einstein ricevette il Premio Nobel per la Fisica nel 1921.
Scopri di più su:Cosa sono i fotoni?
formule
Secondo la teoria corpuscolare della luce, proposta da Planck e utilizzata da Einstein per spiegare l'effetto fotoelettrica, la luce è composta da un gran numero di fotoni, particelle prive di massa che ne trasportano una piccola quantità. energia. Questa energia è proporzionale alla frequenza della luce e anche alla costante di Planck (h = 6.662.10-34 J.s), come mostrato nella seguente equazione:
E — energia fotonica
H — Costante di Planck
f — frequenza della luce
Se l'energia di un fotone è abbastanza grande, può strappare elettroni dal materiale. L'energia cinetica di un elettrone espulso può essere calcolata utilizzando la seguente equazione:
K — energia cinetica degli elettroni
E — energia fotonica
Φ - Funzione Lavorativa
Secondo l'espressione di cui sopra, l'energia cinetica acquisita dagli elettroni (K) dipende dall'energia dei fotoni incidenti (E) e anche da (occupazionelavoro). Questa quantità misura la quantità di energia potenziale con cui gli elettroni sono legati al materiale, è l'energia minima necessaria per estrarli. Pertanto, tutta l'energia in eccesso viene trasferita agli elettroni sotto forma di energiacinetica. Qui è importante rendersi conto che l'energia cinetica acquisita dagli elettroni dipende da esclusivamente dà frequenza della luce incidente e non l'intensità della luce che viene emessa.
La frequenza della luce, non la sua intensità, determina se gli elettroni verranno espulsi.
tabella delle funzioni di lavoro
Dai un'occhiata al misurare della funzione di lavoro di alcuni materiali conosciuti. Questa funzione si riferisce al quantità minima di energia necessaria per strappare gli elettroni dalla superficie del materiale:
Materiale |
Funzione lavorativa (eV) |
Alluminio |
4,08 |
Rame |
4,7 |
Ferro |
4,5 |
Platino |
6,35 |
Argento |
4,73 |
Zinco |
4,3 |
Esperimento sull'effetto fotoelettrico
Osservare la figura sottostante, presenta uno schema semplificato della disposizione sperimentale, utilizzata da Phillip Lenard, per lo studio dell'effetto fotoelettrico:
Schema sperimentale utilizzato per studiare l'effetto fotoelettrico.
L'esperimento consisteva in due piastre metalliche parallele collegate a una batteria. Nel circuito c'erano amperometri, utilizzato per misurare la corrente elettrica tra le due piastre, e voltmetri, utilizzato per misurare la tensione elettrica stabilita dalla batteria.
Quando questa batteria è stata illuminata da determinate frequenze di luce, alcuni elettroni sono stati emessi da una delle piastre, che ha acquisito cariche positive (catodo). Quando accelerati da una differenza di potenziale fornita dalla batteria, gli elettroni hanno raggiunto l'altra piastra. Questa corrente elettrica è stata misurata dall'amperometro.
Lenard notò che con l'aumento dell'intensità della luce, venivano espulsi più elettroni ogni secondo. Tuttavia, mantenendo costante la frequenza della luce emessa dalla sorgente luminosa, l'energia con cui venivano espulsi gli elettroni non cambiava. Guarda la tabella qui sotto:
La corrente di saturazione corrisponde al numero di elettroni espulsi dalla lastra illuminata ogni secondo.
La figura sopra si riferisce a corrente elettrica prodotto da elettroni, espulso da una piastra e catturato dall'altra piastra, con la with potenziale elettrico stabilito tra loro. Applicando questo potenziale, gli elettroni appena usciti dalla placca, anche con energia cinetica nulla, raggiungevano l'altra placca. Quando tutti gli elettroni espulsi raggiungono l'altra piastra, la corrente elettrica è saturo, cioè, inizia a rimanere costante. Quello che si vede è che la corrente di saturazione dipende dal intensità luminosa: maggiore è l'intensità della luce, maggiore è la corrente elettrica che si forma tra le piastre.
Tuttavia, applicando un potenziale elettrico opposto, per ritardare il movimento degli elettroni che vanno da una lamina all'altra, si osserva che c'è un potenziale elettrico minimo (V0), chiamato potenziale di taglio, per cui nessun elettrone può raggiungere l'altra piastra. Ciò indica che l'energia cinetica con cui gli elettroni lasciano le piastre non dipende dall'intensità della luce. L'energia cinetica massima degli elettroni può essere calcolata utilizzando la seguente equazione:
K — energia cinetica massima degli elettroni
e — carico fondamentale (1.6.10-19 )
V0 — potenziale di taglio
Elettron-Volt
Poiché i moduli di energia cinetica degli elettroni hanno moduli troppo bassi per essere misurati in Joule, queste misurazioni di energia vengono normalmente effettuate in un'altra unità molto più piccola, il elettronvolt (eV). L'elettronvolt è la quantità di energia potenziale elettrica sperimentata da una particella carica con il valore di carica più basso esistente, a carica fondamentale, quando posto in una regione di potenziale elettrico pari a 1 V. Pertanto, 1 eV è equivalente a 1.6.10-19 J.
Oltre all'elettron-Volt, è comune utilizzare prefissi come: keV (chiloelettroni-Volt, 103 eV), io v (Megaelettron-Volt, 106 eV), TeV (teraelettron-Volt, 109 eV) ecc.
Applicazioni tecnologiche dell'effetto fotoelettrico
Sono emerse diverse applicazioni tecnologiche basate sulla spiegazione dell'effetto fotoelettrico. Il più famoso di essi è forse quello delle celle fotovoltaiche. Queste cellule sono le unità di base del pannelli solari, attraverso di loro è possibile convertire Il energia luminosa nel corrente elettrica. Consulta un elenco delle principali invenzioni basate sull'effetto fotoelettrico:
Celle fotovoltaiche;
relè;
sensori di movimento;
Fotoresistenze.
esercizi risolti
1) Una sostanza, quando illuminata da fotoni di 4 eV, è in grado di espellere elettroni con energia di 6 eV. Determinare il modulo della funzione lavoro di tale sostanza.
Risoluzione:
Useremo l'equazione della funzione di lavoro per calcolare questa quantità, nota:
Se l'energia cinetica degli elettroni espulsi (K) è pari a 6 eV e l'energia dei fotoni incidenti (E) è pari a 4 eV, avremo:
Secondo il calcolo effettuato, la funzione lavoro di questo materiale, cioè l'energia minima per espellere gli elettroni, è di 2 eV.
2) Quando illuminiamo una lastra metallica la cui funzione di lavoro è 7 eV, osserviamo l'espulsione di elettroni con energie di 4 eV. Determinare:
a) l'energia dei fotoni incidenti;
b) la frequenza dei fotoni incidenti.
Risoluzione:
a) Determiniamo l'energia dei fotoni di luce incidente attraverso la funzione di lavoro:
B) Per calcolare la frequenza dei fotoni, possiamo usare la seguente equazione:
Prendendo i dati forniti dall'esercizio, avremo il seguente calcolo:
Di Rafael Hellerbrock
