Fotoelektrický jav

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.

2. Pri f > f0 je veľkosť prúdu úmerná intenzite dopadajúceho žiarenia.

3. 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:

                                  E=h.f                                        p = E / c = h*f / c   = h /                                               

Kde h je Planckova konštanta         

                                                       h = 6,63 * 10 ^-34 J*s 

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

                                                                                                     h * f = W_v + 1/2 m*v²

Hraničná frekvencia je daná vzťahom

                                                                       h * f₀ = W_v

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

                                                                      (ró)₀ = c / f₀

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.