Explicarea legilor.Fotoni

Legile efectului fotoelectric stabilite pe cale experimentala n-au putut fi explicate cu ajutorul teoriei ondulatorii. Ele au fost explicate de catre Albert Einstein in 1905 pe baza ipotezei cuantelor, ipoteza  introdusa de Max Planck in 1900. Max Planck a explicat mecanismul microscopic de emisie a radiatiei termice pe baza ipotezei ca oscilatorii electomagnetici microscopici  emit energie in cantitati discrete. Aceste portii discrete de energie au fost botezate cuante (ε) si transporta  o energie egala cu hn , deci depinde de frecventa radiatiei emise sau absorbite de oscilatori.  

 ε = hn   . h se numeste constanta lui Planck si are valoarea  h = 6,625•10^-34 Js 

     Particula care are aceasta energie ε a fost numita foton. In consecinta, lumina este formata din fotoni.Einstein a considerat ca are loc o ciocnire intre o cuanta de energie si un electron liber din metal, ciocnire care respecta legea de conservare a energiei. Fotonul cedeaza intreaga sa energie electronului, iar acesta o foloseste pentru a efectua un lucru mecanic impotriva fortelor care il tin legat in metal; in acest mod electronul paraseste metalul(fotocatodul). Daca energia fotonului este suficient de mare atunci electronul va avea si o energie cinetica. Forma matematica a conservarii energiei in acest proces este :

                hn = L_ext + mv²/2    -   ecuatia lui Einstein pentru efectul fotoelectric

Explicarea legilor efectului fotoelectric:

     1. Cresterea fluxului (Φ) radiatiilor electromagnetice incidente inseamna de fapt cresterea numarului de fotoni incidenti de egala energie. Cresterea numarului de fotoni duce la cresterea numarului de ciocniri foton-electron si ca urmare la cresterea numarului de electroni emisi, implicit la cresterea valorii de saturatie a intensitatii curentului electric.

Folosind graficul I = f(U) din  www.colorado.edu/physics/phet/simulations/photoelectric/photoelectric.jnlp  se poate trasa pentru  diferite valori ale intensitatii luminoase(de exemplu: 20%, 50%, 95%) aceasta curba de variatie .

Deasemenea  ulterior se poate  utiliza si graficul I =f(Φ).                                                                                                                    

     2. Ecuatia lui Einstein arata ca energia cinetica a fotoelectronilor emisi de fotocatod variaza liniar cu frecventa radiatiei incidente:    

                                       E_c = f(n)     ;            mv²/2  = hn - L_ext

 Folosind graficul E_c = f(n) ( de la acelasi adresa) pentru diferite materiale se poate calcula constanta lui Planck h din panta dreptei.

     3. Pentru o anumita frecventa de prag n_o energia cinetica a electronului este zero si atunci toata energia lui este folosita numai pentru extragerea electronului din atom :         hn_o = L_ext 

 Pentru frecvente mai mici decat frecventa de prag n< n_o efectul fotoelectric nu se mai produce (deoarece este insuficienta energie fie si numai pentru efectuarea lucrului mecanic de extractie L_ext)

Folosind graficul E_c = f(n) ( de la acelasi adresa) pentru diferite materiale se poate afla valoarea frecventei de prag pentru fiecare material prezentat.

     4. Deoarece interactiunea dintre un foton si un electron are loc intr-un timp neglijabil, efectul fotoelectric se produce instantaneu.