Sari la conținut
LECȚIA 11.1 · FIZICĂ

Efectul fotoelectric extern

Cele patru legi, ipoteza cuantelor și ecuația lui Einstein.

Fenomenul

Efectul fotoelectric extern e emisia de electroni de către un metal iluminat cu radiație electromagnetică.

Fizica clasică nu a putut explica ce se observă experimental, iar asta a dus la ipoteza cuantelor.

Legile efectului fotoelectric extern

  1. Intensitatea curentului fotoelectric de saturație e direct proporțională cu fluxul luminos (cu intensitatea luminii).
  2. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor nu depinde de intensitatea luminii, ci doar de frecvența radiației.
  3. Efectul se produce doar dacă frecvența depășește o valoare de prag, ν0\nu_0, numită frecvență de prag, specifică fiecărui metal.
  4. Efectul se produce practic instantaneu, în cel mult 10−910^{-9} s.

Legile 2 și 3 contrazic frontal fizica clasică, după care o lumină oricât de slabă ar trebui să smulgă electroni dacă e lăsată destul timp.

Ipoteza lui Planck

Energia nu se emite și nu se absoarbe continuu, ci în porții discrete, numite cuante:

E=hνE = h \nu

unde h=6,626⋅10−34h = 6{,}626 \cdot 10^{-34} J·s este constanta lui Planck.

Ipoteza lui Einstein

Einstein a mers mai departe: lumina nu doar se emite, ci și se propagă și se absoarbe în cuante, numite fotoni. Un foton e absorbit de un singur electron, în întregime sau deloc.

Ecuația lui Einstein

hν=L+Ec,maxh \nu = L + E_{c,max}

  • hνh\nu: energia fotonului absorbit;
  • LL: lucrul mecanic de extracție, energia minimă necesară pentru a scoate electronul din metal;
  • Ec,maxE_{c,max}: energia cinetică maximă a electronului emis.

Frecvența de prag se obține când toată energia se consumă pe extracție:

hν0=L⇒ν0=Lhh \nu_0 = L \quad \Rightarrow \quad \nu_0 = \frac{L}{h}

Cum explică ecuația cele patru legi

LegeExplicație
1mai multă lumină = mai mulți fotoni = mai mulți electroni smulși
2energia unui electron vine de la un singur foton, deci depinde de ν, nu de câți fotoni sunt
3dacă hν<Lh\nu < L, fotonul nu are destulă energie, oricâți ar fi
4absorbția e un act individual, nu o acumulare treptată

Greșeli frecvente

  1. Se crede că lumina mai intensă dă electroni mai rapizi. Dă mai mulți, nu mai rapizi.
  2. Se confundă lucrul de extracție LL cu energia cinetică.
  3. Se uită că sub frecvența de prag efectul nu se produce deloc, indiferent cât aștepți.
EXPLOREAZĂ INTERACTIV
Cesiu
Efectul se produce
Energia fotonului (3,10 eV) depășește lucrul de extracție (2,14 eV).
Energia fotonului
3,10 eV
Frecvența
7,49 · 10¹⁴ Hz
Lungimea de undă de prag
579 nm
Energia cinetică maximă
0,96 eV
Viteza maximă
5,81 · 10⁵ m/s

Încearcă întâi să crești intensitatea când efectul nu se produce: numărul de electroni rămâne zero. Apoi scade lungimea de undă sub pragul metalului. Asta e observația care nu se putea explica prin teoria ondulatorie și care a cerut ipoteza fotonilor.