STUDIUL EFECTULUI FOTOELECTRIC EXTERIOR

I.         Introducere teoretica

Fenomenul de emisie al electronilor de catre metale sub actiunea luminii se numeste efect fotoelectric exterior sau emisie fotoelectrica.

Efectul fotoelectric exterior poate fi studiat experimental cu ajutorul unei celule fotoelectrice, care consta dintr-un balon de sticla sau cuart vidat care are in interior doi electrozi: fotocatodul, realizat sub forma unei pelicule de Na, Cs sau Rb depusa pe o portiune din suprafata interioara a celulei si anodul, care este un inel metalic fixat in mijlocul balonului. Intre cei doi electrozi se stabileste o diferenta de potential cu ajutorul bateriei.

Sub actiunea luminii, otocatodul emite electroni care sunt atrasi de anod, iar microampermetrul A inregistreaza intensitatea curentului electric. Se observa ca pe masura ce V 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 I_s. 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, U_o. valoarea U_o este legata de energia cinetica initiala a electronilor prin relatia: .

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 n_prag

Efectul fotoelectric exterior se declanseaza practic instantaneu.

A. Einstein a explicat efectul fotoelectric exterior cu ajutorul notiunii de cuanta de lumina, denumita foton. Energia unei cuante de lumina este proportionala cu frecventa sa: unde h=6,62.10^-32j.s este o constanta universala, numita constanta lui Plank.

Cand fotonul cade pe suprafata unui metal si se ciocneste de un electron, ii cedeaza acestuia intreaga sa energie hn. din aceasta energie, o parte se cheltuieste pentru a invinge fortele interioare care retin electronul in metal, deci sub forma de lucru mecanic de extractie L_e, iar restul se regaseste sub forma de energie cinetica cu care electronul paraseste metalul. Putem scrie deci bilantul energetic: .

Cand frecventa radiatiei incidente scade, energia cinetica initiala a electronilor se micsoreaza. La o anumita frecventa, numita frecventa de prag, energia cinetica initiala a electronilor este nula si avem: .

Daca , efectul fotoelectric nu se mai produce.

II.       Descrierea aparaturii

Celula fotoelectrica, montata pe un calaret, se poate deplasa de-a lungul unui banc optic. Iluminarea celulei se face cu un bec electric, fixat pe un alt calaret ce se poate deplasa pe acelasi banc optic.

Circuitul electric se realizeaza pe un panou, pe care sunt montate instrumentele de masura necesare. Ca sursa de alimentare se foloseste un redresor.

III.     Procedeu experimental

Ridicarea caracteristicii curent-tensiune:

a)    Se realizeaza schema electrica din prima figura;

b)   Se  fixeaza o anumita distanta intre izvorul luminos si celula fotoelectrica;

c)    Se variaza tensiunea electrica din 2 in 2 volti si se citesc valorile corespunzatoare ale curentului fotoelectric I si ale tensiunii U;

d)   Datele se trec in primul tabel;

e)    Se reprezinta grafic I=f(U);

f)    Se repeta masuratorile pentru mai multe distante dintre izvorul luminos si celula fotoelectrica, deci pentru mai multe valori ale fluxului luminos incident.

Dependenta dintre intensitatea curentului de saturatie si fluxul luminos:

a)  Se stabileste intre anod si fotocatod o tensiune suficient de mare pentru a ne situa pe portiunea orizontala a caracteristicii curent-tensiune;

b)  Se variaza distanta d dintre izvorul luminos si celula fotoelectrica din 10 in 10 cm si se noteaza intensitatea curentului I si distanta d;

c)  Datele se trec in al doilea tabel;

d)  Se reprezinta grafic care reprezinta la alta scara functia .

IV.      Rezultate experimentale