Fotoelektrický jev Stručný přehled historie fotoelektrického jevu •1888 Hertz objev jevu • •1887 → Hallwachs systematické studium jevu; • Stoletov ozařují: Zn, Na, K, Rb, … • zjišťují vybíjení/nabíjení izolovaných vodičů, detekují fotoproud • •1899 Thomson objev podstaty jevu; • uvolňování elektronů z ozařovaného vodiče • •1902 Lenard experimentální studium kinetické energie fotoelektronů • • • Ztroskotání pokusů o teoretický popis jevu •1905 Einstein výklad jevu na základě předpokladu • existenci světelných kvant • •1906 → Millikan experimentální studium kinetické energie fotoelektronů s cílem • vyvrátit Einsteinův výklad • •1914 Millikan experimentální potvrzení Einsteinova předpokladu • •1916 Millikan experimentální potvrzení Einsteinova předpokladu • • • • • • • • • • • • Heinrich Hertz Alexandr Stoletov Wilhelm Hallwachs Objev fotoelektrického jevu • • • • • • • hertz7 Alexander_stoletov hallwachs Pokusy s vyčerpanými trubicemi existence trubice Fyzikální interpretace fotoelektrického jevu • • • • • •Joseph John Thomson • • Rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím thomson 200px-Autograph_of_J_J_Thomson rozhraní Page 1 - 86 - IV. 2. Fotoelektrický jev Experimentální studium jevu a jeho výsledky [22], [25] Za objevitele fotoelektrického jevu je považován Heinrich Hertz (1857- 1894). Ten si při svých pokusech, jejichž cílem bylo experimentální prokázání existence Maxwellem předpovězených elektromagnetických vln, roku 1887 všiml, že ozáření jiskřiště ultrafialovým zářením usnadňuje přeskok jiskry – tj. přenos elektrického náboje – mezi elektrodami. Tento poznatek, jenž byl pro Hertze jen málo důležitým vedlejším efektem, se stal hlavním předmětem odborného zájmu Wilhelma Hallwachse (1859- 1922) a Alexandra Stoletova (1839-1896), kteří systematickými pokusy (viz obr. 24) započatými hned následujícího roku, postupně zjistili, že (01) ozařování vodiče z něj může uvolňovat záporný náboj, (02) pro každý ozařovaný materiál existuje určitá – pro něj charakteristická – minimální frekvence 0 f (tzv. červený práh fotoefektu), od níž počínaje dochází k uvolňování záporného náboje, (03) k uvolňování záporného náboje z ozařovaného vodiče dochází okamžitě po dopadu světla (o frekvenci 0 ff > ). Obr. 24 Pokusy Hallwachsova – Stoletovova typu. Následující experimenty s vyčerpanými trubicemi (viz obr. 25) tyto předběžné výsledky opakovaně potvrdily, zpřesnily a ukázaly, že Page 2 - 87 - (04) pokud v důsledku ozařování vznikne v obvodu fotoelektrický proud, pak jeho velikost J roste s intenzitou I ozáření katody. Obr. 25 Hallwachsovy pokusy s vyčerpanými trubicemi. Přestože Hallwachs a Stoletov (nezávisle na sobě) detailně prozkoumali základní vlastnosti fotoefektu, žádný z nich nepodal jejich teoretické vysvětlení. Rozhodující krok k nalezení podstaty jevu učinil roku 1899 Joseph John Thomson (1856-1940), který experimentálně identifikoval v nositelích záporného náboje unikajících z ozařovaného kovového vzorku elektrony. FYZIKÁLNÍ PODSTATA FOTOELEKTRICKÉHO JEVU e e Absorpce elektromagnetického záření elektrony ozařovaného kovového vzorku. Tab. 1 Fyzikální výklad fotoelektrického jevu se potom opírá o jednoduchou představu skokové změny potenciální energie elektronu na rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím (viz obr. 26). Page 3 - 88 - Obr. 26 Energiová bilance na rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím. ε … energie dodaná elektronu elektromagnetickým zářením, k E … kinetická energie elektronu emitovaného z kovu, max E … maximální energie elektronu v kovu, V W … výstupní práce. Odtud je také možno přímo odečíst kinetickou energii k E uvolněného elektronu. Ta je totiž rovna energii ε pohlcené elektronem snížené o energii V W (tzv. výstupní práci ) potřebné k tomu, aby elektron kov opustil, tj. V k W E −= ε . (IV.2. 1) První etapu experimentálního studia fotoelektrického jevu završil Philipp Lenard (1862-1947) v letech 1902-1903, kdy – jako první – provedl měření kinetické energie k E uvolňovaných elektronů. Obr. 27 Schéma Lenardova experimentálního uspořádání. Page 4 - 89 - Princip jeho měřicí metody je jednoduchý: Je-li ozařovaná elektroda kladná vůči elektrodě sběrné, jsou emitované elektrony polem mezi nimi brzděny. Posunováním pohyblivého kontaktu K proměnného odporu R od jeho středu směrem doprava (viz obr. 27) dochází k plynulému zvyšování brzdícího napětí mezi oběma elektrodami a v důsledku toho také k postupnému poklesu fotoelektrického proudu procházejícího ampérmetrem. V okamžiku poklesu fotoproudu na nulu nabývá zřejmě brzdící napětí takové hodnoty stop U , nazývané brzdné napětí, při níž elektrické pole mezi ozařovanou a sběrnou elektrodou zastaví elektrony právě před jejich vstupem do kolektoru (a následně je vrátí na elektrodu s kladným potenciálem). Tehdy platí k E Ue = ⋅ stop , (IV.2. 2) což umožňuje určit kinetickou energii elektronů vystupujících z ozařované elektrody odečtením hodnoty stop U brzdného napětí ze stupnice voltmetru (viz tab. 2). Pohyblivým kontaktem K proměnného odporu R se posunuje zleva doprava až do polohy, při níž výchylka ampérmetru klesne na nulu. k E Ue = ⋅ stop Tab. 2 Page 5 - 90 - Tato měření vedla k závěru, že (05) kinetická energie k E elektronů emitovaných při fotoefektu roste s frekvencí f dopadajícího záření, (06) zatímco na jeho intenzitě I (při neměnné frekvenci f ) nezávisí. Během patnácti let (1888-1903) tak byly vyšetřeny základní vlastnosti fotoelektrického jevu. Experimentální zjištění (02)-(06) však byla natolik nečekaná, že se ani Lenard, nepochybně jeden z nejzasvěcenějších badatelů na tomto poli, nepokusil o jeho teoretické vysvětlení. Selhání klasické představy při objasnění jevu [22], [25] Mechanizmus fotoelektrického jevu spočívá podle klasické fyziky v tom, že elektrony jsou z ozařovaného vzorku emitovány v důsledku jejich urychlování elektrickou složkou E ρ dopadající elektromagnetické vlny * . Má-li tato vlna velkou amplitudu (resp. velkou intenzitu), měl by se elektron z kovu uvolnit prakticky okamžitě po začátku interakce s ní bez ohledu na její frekvenci. Tento závěr je však v rozporu s existencí prahové frekvence 0 f fotoefektu (02). Dopadá-li na kov naopak elektromagnetická vlna amplitudy malé (resp. záření malé intenzity), koná elektron vynucené kmity. Je-li přitom frekvence f dostatečně odlišná od vlastní frekvence vl f kmitů elektronu, bude elektron sice kmitat, ale ne natolik, aby mohl vystoupit z povrchu kovu. Má-li však dopadající světlo frekvenci rovnou vlastní frekvenci kmitů elektronu, pak amplituda jeho kmitů s časem narůstá (viz tab. 3), až dosáhne takové hodnoty, kdy je elektron schopen kov opustit. * Důvodem pro pominutí běžně mlčky ignorovaného silového účinku magnetické složky je skutečnost, že její amplituda 0 0 E c B 1 = (kde 0 E je amplituda složky elektrické, c je rychlost světla) /viz např. [1]/. V důsledku toho je síla ( )B ρ ρ ρ × = v F q mag , jíž působí magnetická složka na libovolný náboj q pohybující se nerelativistickou rychlostí v , zanedbatelná ve srovnání se silou E ρ ρ q F = el , jíž na něj působí složka elektrická. Page 6 - 91 - KLASICKÁ PŘEDSTAVA O ABSORPCI ELEKTROMAGNETICKÉHO ZÁŘENÍ LÁTKOU Elektrony jsou z ozařovaného vzorku emitovány v důsledku jejich urychlování elektrickou složkou dopadající elektromagnetické vlny. vl ff Elektron nevystupuje z kovu. vl ff = Elektron vystupuje z kovu (po určité časové prodlevě od začátku interakce se zářením). Tab. 3 Z pohledu klasické fyziky by tedy v tomto případě k emisi elektronů z kovu mělo docházet jen pro určité diskrétní frekvence světla, tzv. rezonanční frekvence, případně pro frekvence v úzkých pásmech, ale nikoli v celém spojitém pásmu frekvencí 0 ff ≥ , pro něž byl fotoefekt pozorován. Navíc by k této emisi nemohlo docházet okamžitě po ozáření kovu, ale mezi začátkem ozařování a uvolněním elektronu z kovu by měla existovat určitá časová prodleva * . Tyto teoretické výsledky se ovšem neshodují s empirickými závěry První experimentální vyšetření kinetické energie fotoelektronů • • • • • • • Schéma Lenardova experimentálního uspořádání • • • Philipp Lenard schema lenard Princip jeho měřicí metody je jednoduchý: Je-li ozařovaná elektroda kladná vůči elektrodě sběrné, jsou emitované elektrony polem mezi nimi brzděny. Posunováním pohyblivého kontaktu K proměnného odporu R od jeho středu směrem doprava (viz obr. 27) dochází k plynulému zvyšování brzdícího napětí mezi oběma elektrodami a v důsledku toho také k postupnému poklesu fotoelektrického proudu procházejícího ampérmetrem. V okamžiku poklesu fotoproudu na nulu nabývá zřejmě brzdící napětí takové hodnoty stop U , nazývané brzdné napětí, při níž elektrické pole mezi ozařovanou a sběrnou elektrodou zastaví elektrony právě před jejich vstupem do kolektoru (a následně je vrátí na elektrodu s kladným potenciálem). Tehdy je možno určit kinetickou energii elektronů vystupujících z ozařované Princip Lenardovy měřicí metody • • princip Výsledky měřicí metody • • • tabulka Fyzikální interpretace fotoelektrického jevu • • • • • • Energiová bilance na rozhraní mezi kovem a vnějším prostředím • eng_bilance vzorec •Historie: • •Teorie elektromagnetismu (J.C. Maxwell) – světlo je elektromagnetické •vlnění, elektromagnetické vlnění má vlastnosti analogické světlu – odraz elektromagnetického vlnění,lom na rozhraní atd. •Experimentální ověření existence elmg vln – Heinrich Hertz [USEMAP] V 1888 byl popsán tento experiment (viz obr.): Čistá zinková destička byla upevněna na izolovaném podstavci a vodičem připojena k elektroskopu, na nějž byl (ze vně) přenesen záporný náboj. Po té se elektroskop vybíjel pomalu. Jestliže však byla zinková destička vystavena UV světlu z obloukové lampy, elektroskop se vybíjel naopak rychle. Pokud byla destička kladně nabita, pak k rychlému úniku náboje nedocházelo. Z těchto pozorování tedy vycházelo, že efekt je unipolární a že při něm zřejmě dochází k emisi záporných částic [USEMAP] •http://phet.colorado.edu/sims/photoelectric/ •Pozoruhodnosti fotoelektrického jevu: • 1. Elektrony jsou emitovány okamžitě - bez časového zpoždění! • 2. Zvýšení intenzity světla zvýší počet elektronů, ale neovlivní jejich maximální kinetickou energii! • 3. Existuje mezní frekvence • Např.červené světlo nezpůsobí jev bez ohledu na svou intenzitu! • 4. Slabé fialové světlo se vyvolá výstup elektronů a jejich maximální kinetické energie jsou vyšší než u intenzivního světlo delších vlnových délek!