Zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne
Zjawisko fotoelektryczne (fotoemisja elektronów inaczej) można zaobserwować za pomocą Elektroskopu z płytką cynkową i lampy rtęciowej.
Układ doświadczalny służący do badania zjawiska fotoelektrycznego (fotoemisji elektronów )
Elektroskop to urządzenie wskazujące, jak silnie naładowany jest przewodnik połączony z listkami elektroskopu. Lampa rtęciowa(kwarcowa dawniej) jest źródłem światła oraz promieniowania nadfioletowego o długościach fal w zakresie od 200 do 380 nm (lampy takie stosuje sie do wykrywania fałszywych banknotów na których przy naświetlaniu pojawiają się niewidoczne symbole).
Gdy wprowadzimy na płytkę cynkową ujemny ładunek, np. przez zebranie ładunku z powierzchni polietylenowego przedmiotu potartego uprzednio futrem, to listki elektroskopu rozchylą się. Oznacza to, że elektroskop jest naładowany. Kiedy na płytkę cynkową skierujemy promieniowanie lampy rtęciowej listki będą powoli opadać. Promieniowanie wytwarzane przez lampę rtęciową sprawia że część elektronów opuszcza metal. Jeśli lampa rtęciowa zostanie bardziej zbliżona do płytki listki elektroskopu będą szybciej opadały, a więc zostanie zwiększona emisja elektronów z płytki. Jednak kiedy miedzy płytkę cynkową , a lampę wstawimy szklaną płytkę to promieniowanie lampy rtęciowej przestanie uwalniać elektrony z płytki cynkowej. Szkło nie przepuszcza promieniowania nadfioletowego powodującego emisję elektronów.
Gdyby lampa rtęciowa została zastąpiona zwykłą żarówką, to bez względu na moc żarówki nie udało by się wywołać fotoemisji. Żarówka nie wytwarza promieniowania ultrafioletowego, a emisja elektronów z metalu następuje, gdy częstotliwość padającego promieniowania jest wystarczająco wysoka. Minimalną częstotliwość, przy której zachodzi zjawisko fotoelektryczne, nazywamy częstotliwością progową fotoemisji.
Rozładowywanie się metalowych płyt pod wpływem promieniowania zostało zauważone w 1888 roku przez Willhelma Hallwachsa. Dopiero po odkryciu elektronu w 1897 roku przez Josepha Thomsona stało się jasne, że zjawisko to polega na emisji ujemnie naładowanych składników atomów. Nadal jednak nie potrafiono wyjaśnić, dlaczego promieniowanie ultrafioletowe, nawet takie, którego natężenie jest niewielkie, wywiera natychmiastowy wpływ na elektrony w metalu, podczas gdy bardzo intensywne światło o dużym natężeniu, ale o niższej częstotliwości, nie działa na nie wcale. Falowy model światła nie pozwalał tego wyjaśnić. Albert Einstein zaproponował model zjawiska fotoelektrycznego, w którym wysyłane przez lampę rtęciową promieniowanie elektromagnetyczne jest opisywane jako strumień fotonów, czyli cząstek światła.
W metalach (np. w cynku) istnieją elektrony słabo związane z atomami sieci krystalicznej. Takie elektrony, nazywane także elektronami przewodnictwa, mogą swobodnie poruszać się wewnątrz metalu. Wystarczy niewielka ilość energii (ok. 10–19 J) – np. dostarczonej przez padający foton – by niektóre z nich mogły opuścić metal.
Padający foton może przekazać swoją energię jednemu ze swobodnych elektronów metalu i uwolnić go ze studni energii potencjalnej, czyli spowodować jego emisję.
Elektrony w metalu tkwią jak gdyby w „studni” energii potencjalnej– by opuścić studnię muszą zyskać dodatkową energię. Tym elektronom o największej energii wystarczy zwiększenie energii o φ, inne muszą jej uzyskać tym więcej, im mniejszą mają energię („znajdują” się głębiej w studni potencjału, czyli są bliżej jej dna). Einstein przyjął, że pojedynczy foton może dostarczyć energię potrzebną do emisji tylko jednego elektronu. Aby elektron opuścił powierzchnię, foton musi dostarczyć mu energię. Najmniejszą energię fotonu wywołującego fotoemisję nazywamy pracą wyjścia elektronu z metalu. Oznaczamy ją literą φ. W ten sposób Einstein wyjaśnił, dlaczego zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi, gdy energia fotonów jest zbyt mała. Fotony światła żarówki mają energię mniejszą od pracy wyjścia. Gdy zamiast żarówki użyjemy lampy rtęciowej, to dostarczymy fotonów o dużej energii i, nawet jeśli będzie ich niewiele, wywołamy
fotoemisję. Aby zachodziło zjawisko fotolelektryczne, niezbędne są fotony o dostatecznie
dużej energii, czyli potrzebne jest promieniowanie o dostatecznie wysokiej częstotliwości.
Gdy foton pada na metalową płytkę, może zostać pochłonięty przez pojedynczy swobodny
elektron. Elektron przejmuje energię fotonu, a foton znika. Część pochłoniętej energii elektron
zużywa na ucieczkę ze studni energii potencjalnej, pozostała część stanowi jego energię kinetyczną.
Widzimy teraz że fotonowy model promieniowania elektromagnetycznego sprawdza się, tj. wyjaśnia wyniki przeprowadzonych obserwacji. Promieniowanie (również światło) zachowuje się w tym zjawisku jak strumień cząstek, czyli fotonów o określonych energiach. Jeden foton o odpowiednio dużej energii jest w stanie uwolnić z powierzchni metalu jeden elektron. Gdyby energia fali świetlnej nie była skwantowana, zjawisko wybijania elektronów przebiegałoby inaczej.
Zjawisko fotoelektryczne, czyli fotoemisja elektronów, polega na tym, że kwanty promieniowania o odpowiednio wysokiej częstotliwości powodują opuszczenie powierzchni metalu przez niektóre elektrony swobodne.
Badania zjawiska fotoelektrycznego wykazały, że energie kinetyczne wszystkich uwolnionych elektronów są mniejsze niż pewna wartość maksymalna Emax. Najszybciej poruszają się elektrony, które były najsłabiej związane w metalu. Einstein powiązał wartości Emax i energii fotonu hf równaniem:
hf = φ + Emax, czyli
0,5mv2max = hf – φ
Powyższe równanie można rozumieć w następujący sposób: energia hf fotonu zostaje zaabsorbowana (pochłonięta), przez elektron. Jej część zostaje przezeń zużyta na opuszczenie płytki; reszta energii stanowi energię kinetyczną wyemitowanego elektronu. Emisja elektronu nie zachodzi, gdy energia kwantu hf jest mniejsza od pracy wyjścia φ.
Elektron jest tym silniej związany z atomami płytki, im niżej znajduje się w studni energii potencjalnej, czyli im mniejsza jest jego energia kinetyczna. Fotoemisja elektronu, który jest silniej
związany z atomami płytki, wymaga więcej energii niż fotoemisja elektronu słabiej związanego.
Energia kinetyczna obliczona za pomocą wzoru 0,5mv2max = hf – φ jest energią maksymalną, gdyż nie wszystkie elektrony znajdują się na tej samej głębokości w studni energii potencjalnej, tj. nie wszystkie mają w niej jednakową początkową energię kinetyczną. Elektrony, które leżą głębiej w studni potencjalnej, mają początkowo mniejsze energie kinetyczne i do wybicia ich z powierzchni metalu potrzebna jest dodatkowa praca.
Praca wyjścia, czyli minimalna energia niezbędna do uwolnienia elektronu z płytki, jest
równa energii kwantów promieniowania o częstotliwości progowej:
φ = hf0
Praca wyjścia elektronu z metalowej płytki zależy od tego, z jakiego metalu jest ona wykonana. Oznacza to, że częstotliwości progowe charakteryzujące fotoemisję elektronów z rozmaitych metali są różne. Dla metali alkalicznych, np. sodu, potasu, rubidu, częstotliwości progowe leżą w widzialnej części widma promieniowania elektromagnetycznego. W cynku elektrony przewodnictwa są silniej związane i odpowiadająca mu częstotliwość progowa należy do nadfioletu.
Przewaga modelu fotonowego nad modelem falowym w wyjaśnianiu zjawiska fotoelektrycznego
Praca wyjścia elektronów z wybranych metali