II.2. Efectul fotoelectric.
Efectul fotoelectric a fost descoperit experimental în anul 1887 de către Heinrich Hertz (1857-1894) și în anul 1888 de către W. Hallwachs (1859-1922) și constă în emiterea de electroni de către un metal sub acțiunea unei radiații electromagnetice.
Fenomenul apare la iradierea metalelor alcaline cu lumină vizibilă, pentru celelalte metale fiind necesare radiații de frecvență mai ridicată (ultraviolete, raze X, raze gamma). Într-un tub vidat, radiația electromagnetică cade pe catod și smulge electroni din el. Între catod și anod se aplică o tensiune electrică de frânare a electronilor emiși (Us) care produce un câmp electric (E) ce acționează cu o forță (F = - e ∙ E) în sens opus mișcării lor (- e este sarcina unui electron).
Intensitatea curentului scade odată cu creșterea tensiunii de frânare până la zero pentru tensiunea de stopare Us.
Energia cinetică maximă a electronilor emiși de catod este:
Ec = e ∙ Us.
Fizicienii se așteptau ca energia cinetică a electronilor smulși din catod (implicit și viteza lor) să crească la creșterea intensității (amplitudinii) câmpului electric a radiației electromagnetice incidente pe catod. Cu cât creșteau intensitatea luminii, viteza maximă a electronilor emiși de catod rămânea aceeași. În plus, experimentatorii au constatat că viteza maximă a electronilor smulși depinde liniar de frecvența radiației incidente (lumina roșie și radiațiile cu frecvență mai mică ca aceasta, nu smulgea electronii din catod).
În 1905, Albert Einstein (1879-1955) a remarcat că explicația efectului fotoelectric ar putea fi rezolvată, generalizând ipoteza cuantică propusă de Planck privind radiația corpului negru la radiația electromagnetică.
Astfel, electronii din catod primesc de la lumină numai un singur pachet (foton) de energie luminoasă (E = h ∙ ν) pentru a fi accelerați și să părăsească metalul.
Astfel energia cinetică maximă a electronilor emiși nu va depăși această valoare de energie primită, indiferent de intensitatea radiației incidente.
În plus explică de ce viteza maximă a electronilor depinde de frecvența radiației.
🔦 Observație
Această contribuție a lui Einstein la mecanica cuantică i-a fost răsplătită cu decernarea Premiului Nobel în 1921.
Interpretarea legilor efectului fotoelectric extern
Prima lege a efectului fotoelectric extern:
Efectul fotoelectric extern se produce numai când frecvența radiației incidente este mai mare decât frecvența de prag caracteristică metalului din care este confecționat catodul.
Pentru a părăsi metalul electronii liberi trebuie să primească o energie egală cu lucrul mecanic de extracție (L) pentru frecvența de prag (ν0):
L = h ∙ ν0 h = constanta lui Planck = 6,62 ∙ 10-34 m2 ∙ kg/s
Fotonul de energie h ∙ ν cedează energia sa unui electron de conducție.
Electronul poate părăsi metalul numai dacă h ∙ ν ≥ L.
A doua lege a efectului fotoelectric extern:
Efectul fotoelectric se produce practic instantaneu.
Emisia unui electron este rezultatul ciocnirii dintre un foton și un electron într-un timp mai mic de 10-9 s.
A treia lege a efectului fotoelectric extern:
Energia cinetică a electronilor emiși crește liniar cu frecvența radiației incidente.
Dacă energia fotonului h ∙ ν > L, atunci electronul are o energie cinetică suficientă pentru a părăsi metalul:
Ec = h ∙ ν – L = h ∙ ν – h ∙ ν0 = h ∙ (ν – ν0)
A patra lege a efectului fotoelectric extern:
Numărul de fotoelectroni emiși de catod în unitatea de timp este proporțional cu numărul de fotoni incidenți în acest interval de timp, care este proporțional cu fluxul de energie luminoasă.
Cele mai importante aplicații ale efectului fotoelectric sunt celula fotoelectrică (care permite transformarea luminii în curent electric) și fotomultiplicatorul (detector de lumină care poate detecta un număr infim de fotoni).
