EFECTUL FOTOELECTRIC.
Emisia de electroni din suprafetele corpurilor in urma actiunii anumitor radiatii electromagnetice asupra acestor suprafete poarta numele de efect fotoelectric.Si pt ca este vorba de scoaterea electronilor din masa corpurilor iradiante,el se mai numeste efect fotoelectric extern.A fost descoperit de H.Hertz in 1887.
Studiul experimental cantitativ al efectului fotoelectric a dus la urmatoarele 4 legi:
-curentul de fotoelectroni apare numai daca lungimea de unda a radiatiei incidente este mai mica decat o valoare delta 0 numita pragul rosu al efectului fotoelectric.
-intensitatea curentului de saturatie este direct proportionala cu fluxul luminos incident.
-energia cinetica a fotoelectronilor nu depinde de marimea fluxului luminos,ci de frecventa luminii incidente.
-efectul fotoelectric este practice instantaneu.S-a putut constata ca emisia de electroni apare la mai putin de 10-9s dupa inceperea iluminarii.
Legile de mai sus stabilite direct pe cale experimentala nu au putut fi explicate in cadrul teoriei ondulatorii a luminii.Considerand o unda electromagnetica luminoasa ce cade pe un metal,ne-am putea explica emisia prin aceea electronii din metal sunt pusi in oscilatie de catre campul electric variabil al undei;daca fortele ce mentin electronii in metal nu sunt suficienti de mari ei vor putea fi scosi in urma acestor oscilatii fortate,datorita energiei cinetice de oscilatie capatata in campul undei.Deoarece insa amplitudinea oscilatiilor electronice trebuie sa fie proportionala cu amplitudinea de oscilatie a campului electric ,ar rezulta ca energia cinetica de oscilatie a electronilor trebuie sa fie proportionala cu amplitudinea unei incidente.Prin urmare energia cinetica a electronilor expulzati din metal in urma acestor oscilatii ar trebui sa depinda de intensitatea luminii incidente .Experienta insa nu pune in evidenta nici un fel de dependenta a energei fotoelectronilor de intensitatea luminii ,ci de frecventa ei(legea 3) artatand de exemplu ca radiatiile violete dau electroni mai rapizi decat cele rosii.
In 1900 Plank a descoperit ca radiatiile electromagnetice( deci si radiatiile luminoase) sunt emise in portii mici,numite cuante sau fotoni a caror energie e este data de : e=hn unde n este frecventa radiatiei ,iar h=6,624*10-34Js este constanta lui Planck..Einstein in1905 ,face ipoteza ca si in procesul de absorbtie de catre substanta ,lumina manifesta proprietati cuantice.Daca energia hn este sufficient de mare ,atunci electronul poate invinge lucru de extractie j si paraseste metalul cu energia cinetica mn /2,conform legii conservarii energiei:hn j+mn
Aceasta egalitate poarta numele de formula lui Einstein pentru efectul fotoelectric.Ea ne arata ca pentru o substanta data energi cinetica a electronilor expulzati este direct proportionala cu frecventa radiatiei incidente,explicand astfel legea 3.Pe decalta parte, se vede ca pt o substanta data,energia electronilor emisi,mn /2,scade cand frecventa n scadePt o anumita frecventa,n ,ei nu mai au energie cinetica:hn j, Aceasta frecventa constitue deci o limita sub care efectul fotoelectric nu mai apare.Lungimea de unda l =c/n (c fiind viteza luminii)este tocmai pragul rosu definit de legea intai. l =hc/j
Aplicatii ale efectului fotoelectric.
Pe principiul efectului fotoelectric functioneaza celulele fotoelectrice,care transforma energia luminoasa in energie electrica.Ele au o mare raspandire in automatizare,cinematografie si televiziune si in multe alte domenii ale stiintei si tehnicii.
Celula fotoelectrica in vid.Schema unei cellule fofoelectrice consta intr-un mic balon de sticla vidat,acoperit pe o anumita portiune interioara cu un strat metallic ce constitue fotocardul.Se utilizeaza straturi de cesiu,potasiu,argint,antiamoniu-cesiu si altele in functie de domeniul spectral la care trebuie sa fie sensibila celula.
Anodul este un inel metallic asezat la o anumita distanta de catod.Cei doi electrozi pot fi legati la un circuit cu ajutorul a doua fire metalice ce trec prin pertele sticlei.Fotonii de energie hn cazand pe catod expulzeaza din suprafata acestuia electroni prin efect fotoelectric exterior.Acestia sunt dirijati spre anod de catre campul electric accelator creat de bateria B ,dand astfel nastere unui current electric ce trece prin consumatorul R.Curentul de saturatie obtinut cu aceste cellule cu vid este in mod obisnuit de aproximativ 50 microamperi pe lumen.Receptorul R deci trebuie sa fie destul de sensibil pt a raspunde la semnalele foarte mici de current declansate de fluxurile luminoase.
Celula fotoelectrica cu gaz.Celula este umpluta cu un gaz inert la presiuni mai mici decat cea atmosferica.Daca tensiunea dintre anod si catod este suficienta,electronii emisi din catod de fotoni,pot fi accelerate in campul electric pana la energia cinetica necesara ionizarii atomilor gazului prin ciocniri.Ionii pozitivi si electronii astfel generate,se indreapta catre electrozii corespunzatori,contribuind astfel la cresterea curentului.Pt un flux luminos dat,aceste cellule dau curenti de saturatie de zeci de ori mai mari decat cele cu vid.
Fotorezistentelefolosesc efectul fotoelectric intern la semiconductoare;prin iluminare creste numarul de electroni si de goluri positive,ceea ce duce la micsorarea rezistentei electrice a semiconductorului respective,La o fotorezistenta,semiconductorul este depus sub forma de strat subtire pe o placuta izolatoare(sticla).La marginile placutei se afla doua straturi inguste metalice,care constitue electrozii fotorezistentei.Legand acesti electrozi la o portiune dintr-un circuit dat,curentul prin acest circuit va putea fi modificat prin iluminarea fotorezistentei cu radiatii de o anumita lungime de unda.
Celula fotovoltaica sau celula cu strat de baraj.Pe suprafata unei lame de cupru se depune un strat subtire de oxid cupros.La suprafata de separare dintre oxidu de cupru si placa de cupru se formeaza un strat de baraj care permite electronilor sa treaca numai din sensul de la Cu2O spre Cu.Peste stratul de Cu2O se depune o pelicula foarte subtire metalica(aur)incat sa fie transparenta pt lumina.Acest strat metallic joaca rolul de electrod;un al doilea electrod il constituie chiar placa de Cu.Lasand sa cad alumina pe aceasta celula,ea va strabate stratul subtire metallic si va excita in semiconductorul Cu2O electronii din banda de valenta in banda de conductie.Acestia pot strabate stratul de baraj,trecand pe placa de cupru.Ia nastere asrfel o diferenta de potential,care va face ca in circuitul inchis prin galvanometrul G sa treaca un current electric fara ajutorul vreunei tensiuni electromotoare aplicata din exterior.In afara celulelor cu oxid cupros si Cu se mai utilizeaza si cellule cu selenium si plumb,cu telur si plumb.Sensibilitatea celulelor fotovoltaice,numite uneori si cellule fotogalvanice sau cellule fotoelectrice generatoare,poate ajunge pana la oridinul 103mA/lm si pot da fotocurenti pt un domeniu foarte larg de lungimi de unda,mergand pana in infrarosul indepartat.Deoarece celula fotovoltaica produce current fara o sursa exterioara de tensiune,ea este un transformator de energie luminoasa direct in energie electrica.
|
