Vypracovala: B. Horváthová

 

 

Fotoelektrický jav objavili a skúmali v 19. storočí. Jav môžeme pozorovať napríklad pri nasledovnom pokuse.

 

 

 

Na elektroskop je pripevnená zinková platnička. Nabijeme ju záporným nábojom. Ak platničku osvetlíme napríklad horským slnkom, náboj klesne.

Pokus môžeme zopakovať tak, že platničku nabijeme kladným nábojom. Po osvetlení náboj zostáva. Môžeme to vysvetliť tak, že dopadajúce žiarenie uvoľňuje z kovu elektróny, ale nie častice s kladným nábojom. Nepochopiteľná bola závislosť uvoľňovania elektrónov od frekvencie dopadajúceho žiarenia.

 

Fotoelektrický jav je jav, keď dopadajúce žiarenie vhodnej vlnovej dĺžky pri dopade na kov alebo polovodič uvoľňuje z atómov látky elektróny, ktoré sa potom voľne pohybujú v látke alebo opustia látku. Fotoelektrický jav delíme na vonkajší a vnútorný.

 

Výsledky pokusov môžeme zhrnúť takto:

 

  1. pre každý kov existuje určitá hraničná frekvencia f0 . Ak frekvencia f dopadajúceho žiarenia je menšia ako f0 , žiarenie nie je schopné uvoľniť elektróny z katódy. Žiarenie s frekvenciou väčšou ako f0 elektróny uvoľňuje.

 

  1. Pri je veľkosť prúdu úmerná intenzite dopadajúceho žiarenia.

 

  1. Energia elektrónov uvoľnených z katódy sa zväčšuje so zväčšovaním frekvencie dopadajúceho žiarenia a nezávisí od intenzity dopadajúceho žiarenia.

 

 

Vnútorný fotoelektrický jav sa využíva v zariadeniach, ktoré zapnú alebo zastavia pri prerušení svetelného lúča dané zariadenie, napríklad dvere na výťahu.

 

V roku 1905 zákonitosti nájdené pri štúdiách fotoelektrického javu dokázala Einsteinova teória. Táto teória vychádza z predstavy, že energia žiarenia sa skladá z konečného počtu v priestore lokalizovaných kvánt, ktoré môžu byť pohltené alebo vyžiarené len ako celky.

Podľa tejto teórie sa pri pohlcovaní a pri vyžarovaní správa elektromagnetická vlna s frekvenciou f ako súbor svetelných kvánt. Svetelné kvantá môžeme charakterizovať energiou a hybnosťou:

Kde h je Planckova konštanta

Svetelné kvantá voláme fotóny. Tento názov zaviedol americký fyzik Lewis až v roku 1926.

Pri fotoelektrickom jave každý fotón odovzdá celú svoju energiu jedinému elektrónu z povrchu kovu. Časť tejto energie sa spotrebuje na uvoľnenie elektrónu z povrchu kovu (výstupná práca) zvyšok ostane elektrónu ako kinetická energia.

 

Einsteinova rovnica fotoelektrického javu vyjadruje zákon zachovania energie

 

Hraničná frekvencia je daná vzťahom

Keď dopadajúce žiarenie má frekvenciu f0 , jeho vlnová dĺžka je medzná vlnová dĺžka

Kde c je rýchlosť svetla vo vákuu.

 

Či žiarenie je schopné uvoľniť elektróny z kovu závisí iba od jeho frekvencie. Einsteinova teória vysvetľuje aj závislosť intenzity elektrického prúdu od intenzity dopadajúceho žiarenia. Ak je intenzita žiarenia väčšia, dopadá na katódu viac fotónov ktoré uvoľňujú viac elektrónov a veľkosť prúdu v obvode bude väčšia.

V atómovej fyzike udávame často energiu v jednotkách elektrónvolt eV. 1 eV je energia, ktorú získa častica s elementárnym nábojom 1,602.10-19 C pri prechode medzi miestami s potenciálovým rozdielom 1V.

 

Albertovi Einsteinovi bola udelená Nobelova cena za objasnenie fotoelektrického javu.

Presvedčivý dôkaz Einsteinovej hypotézy priniesli experimenty amerického fyzika Comptona

Röntgenové žiarenie s vlnovou dĺžkou 0,07 nm dopadalo na uhlíkový terčík.

 

 

RTG žiarenie sa po dopade na uhlíkový terč rozptýli do všetkých smerov, pričom je

Pretože je frekvencia rozptýleného žiarenia menšia než frekvencia dopadajúceho žiarenia.

 

Comptonov jav je pružný rozptyl fotónov röntgenového žiarenia na voľných elektrónoch, pričom vlnová dĺžka rozptýleného žiarenia je väčšia než vlnová dĺžka dopadajúceho žiarenia.

Vysvetlenie tohto javu je možné len pomocou kvantovej hypotézy. Fotóny röntgenového žiarenia sa pri zrážke s elektrónmi v uhlíku prejavujú ako častice. Nastáva pružná zrážka.

Pre frekvenciu odrazeného fotónu platí rovnica

f je frekvencia dopadajúceho žiarenia, h je Planckova konštanta a Ek je kinetická energia elektrónu po zrážke. Rozptýlené žiarenie teda musí mať frekvenciu

 

Fotóny sú častice mikrosveta a prejavujú sa pri interakcii svetla s látkou. Fotóny vznikajú v zdroji svetla a zanikajú v mieste, kde svetlo interaguje s pevnou látkou. Medzi zdrojom a tienidlom sa svetlo pohybuje nie ako tok fotónov, ale ako elektromagnetická vlna, ktorá na dvojštrbine interferuje a svojimi interferenčnými maximami a minimami určuje pravdepodobnosť dopadu fotónov na tienidlo. Pravdepodobnosť dopadu je najvyššia tam, kde sú interferenčné maximá, najnižšia je tam, kde sú minimá.

 

Časticová teória ohyb svetla vysvetliť nedokáže. Vlnová teória naproti tomu nedokáže vysvetliť fotoelektrický jav, Comptonov jav. Preto sú dané postuláty:

 

a) elektromagnetické vlnenie má aj korpuskulárny (časticový) charakter

b) fotóny nie sú iba častice, ale majú aj vlnový charakter

 

Pre objekty mikrosveta platia iné zákony než v klasickej fyzike.

 

Príklad: Výstupná práca elektrónov pre sodík je 2,3 eV. S akou kinetickou energiou budú vyletovať elektróny z povrchu sodíkovej katódy, keď na ňu dopadá žiarenie s vlnovou dĺžkou 300 nm.

 

dosadíme číselné hodnoty:

 

Kinetická energia uvoľnených elektrónov je 1,836 eV.

 

 

Úlohy:

 

1) Popíšte fotoelektrický jav.

2) Popíšte Einsteinovu teóriu fotoelektrického javu.

3) O čom pojednáva Comptonov jav?

 

Obrázková príloha:

knihy J. Pišút a kol. – Fyzika pre 4. Ročník

P. Tarábek a kol. – Zmaturuj z fyziky

 

Použitá literatúra:

J. Pišút a kol. – Fyzika pre 4. Ročník

P. Tarábek a kol. – Zmaturuj z fyziky