Fotoelektrický jev

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Schéma fotoefektu.

Fotoelektrický jev či fotoefekt je fyzikální jev, při němž jsou elektrony uvolňovány (vyzařovány, emitovány) z látky (nejčastěji z kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření (např. rentgenové záření nebo viditelného světla) látkou. Emitované elektrony jsou pak označovány jako fotoelektrony a jejich uvolňování se označuje jako fotoelektrická emise (fotoemise).

Pokud jev probíhá na povrchu látky, tzn. působením vnějšího elektromagnetického záření se elektrony uvolňují do okolí látky, hovoří se o vnějším fotoelektrickém jevu. Fotoelektrický jev však může probíhat i uvnitř látky, kdy uvolněné elektrony látku neopouští, ale zůstávají v ní jako vodivostní elektrony. V takovém případě se hovoří o vnitřním fotoelektrickém jevu.

Pokud na látku dopadají elektrony, které způsobují vyzařování fotonů, mluví se o inverzním (obráceném) fotoelektrickém jevu.

Studium fotoelektrického jevu mělo vliv na pochopení duality vln a částic.

Popis jevu[editovat | editovat zdroj]

schematický graf závislosti kinetické energie elektronu na frekvenci dopadajícího světla

Bylo zjištěno, že při osvětlení některých látek (především kovy) se tyto látky nabijí. Např. zinek osvětlený ultrafialovým světlem se nabije kladně.

Při ozáření vzorku spektrem elektromagnetického vlnění byly přitom pohlceny krátké vlnové délky a delší vlny ve spektru zůstaly.

Pro krátké vlnové délky došlo k emisi vodivostních elektronů z kovu. Počet těchto elektronů rostl s intenzitou vlnění. Jev byl ale pozorován jen pro krátké vlnové délky, pro velké délky vln jev nenastal při libovolné intenzitě. Pro krátké vlnové délky se se zvýšením intenzity dopadajícího záření zvyšoval počet uvolněných elektronů, avšak intenzita neovlivnila energii těchto elektronů.

Podle představ klasické fyziky by elektronům měla být předána kinetická energie dopadajícího elektromagnetického vlnění. Energie elektromagnetických vln souvisí s intenzitou záření, tzn. energie vyzařovaných elektronů by měla záviset na intenzitě dopadajícího záření. Experimenty však ukázaly, že kinetická energie vyzařovaných elektronů je závislá na frekvenci a nikoliv na intenzitě dopadajícího záření.

Experimentálně bylo zjištěno, že pokud frekvence dopadajícího záření klesne pod tzv. mezní (prahový) kmitočet \nu_0, fotoemise se neobjevuje. Mezní frekvence je charakteristickou vlastností každé látky. Pokud je frekvence \nu dopadajícího záření vyšší než mezní frekvence \nu_0, mají fotoelektrony energii v rozmezí od nuly do určité maximální hodnoty E_\mbox{max}. Maximální hodnota energie E_\mbox{max} je lineární funkcí frekvence a platí pro ni vztah

E_\mbox{max} = h(\nu-\nu_0) = h\nu-h\nu_0,

kde h je Planckova konstanta.

Tyto vlastnosti fotoelektrického jevu není klasická fyzika schopná vysvětlit.

Kvantové vysvětlení[editovat | editovat zdroj]

Podivné chování světla při interakci s vlněním vysvětlil až Einstein v roce 1905 s využitím poznatků právě se rodící kvantové teorie. Byla to především Planckem prezentovaná teorie, že elektromagnetické vlnění předává svou energii při interakcích s jinými částicemi nespojitě, po takzvaných kvantech. Velikost kvanta energie závisí na frekvenci (vlnové délce) elektromagnetického záření, přičemž platí

E = h\nu = \hbar\omega,

kde h je Planckova konstanta, \nu je frekvence elektromagnetického záření, \omega = 2\pi\nu je jeho kruhová frekvence a \hbar = h/2\pi je redukovaná Planckova konstanta. Pro toto kvantum světla se vžil název foton.

Světlo při dopadu předává energii elektronům na povrchu zkoumané látky. Je-li vlnová délka \lambda světla dostatečně malá, pak frekvence \nu a tedy i energie (E= h\nu = hc/\lambda), kterou záření po dopadu předá elektronu, může dosáhnout dostatečné hodnoty pro uvolnění tohoto elektronu z vazby v obalu atomu. Hodnota této energie potřebné k uvolnění elektronu se označuje jako ionizační energie. Velikost ionizační energie, kterou potřebují elektrony k uvolnění z látky se někdy označuje jako fotoelektrická bariéra. Předáním dostatečné energie elektronům je možné tuto bariéru překonat (hovoří se také o tzv. výstupní práci). Minimální frekvence, při níž dopadající fotony předávají elektronům energii potřebnou k překonání této bariéry se označuje jako prahová frekvence.

Při velkých vlnových délkách (nízkých frekvencích a tedy i energiích) se jev neprojeví, protože energie fotonu nestačí na uvolnění elektronu z obalu atomu.

Pokud je energie předaná elektronu větší než je potřeba k jeho uvolnění (tedy větší než výstupní práce), pak fotoelektronu po opuštění látky část energie zůstane. Tato energie má formu kinetické energie elektronu.

Z těchto úvah získal Einstein rovnici fotoelektrického jevu

h\nu = h\nu_0 + E_\mbox{max}\,,

kde h\nu je energie dopadajícího fotonu, h\nu_0 je minimální energie potřebná k uvolnění elektronu (tedy výstupní práce) a E_\mbox{max} je maximální možná energie uvolněného elektronu.

Z uvedené rovnice je vidět, že energie uvolněného elektronu závisí pouze na frekvenci dopadajícího záření, a nikoliv na intenzitě tohoto záření. Je také vidět, že bez ohledu na intenzitu dopadajícího záření nemůže při \nu<\nu_0 dojít k uvolnění elektronů, tzn. nedochází k fotoefektu. Elektrony mohou při cestě k detektoru prodělat neelastickou srážku a část své energie ztratit (zvlášť elektrony vyražené z vnitřku látky), proto jejich energie leží v rozmezí od nuly do E_\mbox{max}. Ačkoliv intenzita dopadajícího záření nemá vliv na energii uvolněných elektronů, ovlivňuje jejich počet. Při větší intenzitě záření je také počet uvolněných elektronů vyšší.

Inverzní fotoelektrický jev[editovat | editovat zdroj]

Pokud na látku dopadají elektrony, které způsobují vyzařování fotonů, mluví se o inverzním (obráceném) fotoelektrickém jevu.

Energie pohybujícího se elektronu je obvykle podstatně větší než potenciálová hráz, proto lze hodnotu výstupní práce zanedbat proti kinetické energii elektronu, tzn.

E_k = h\nu

Při dopadu elektronu na kov dochází obvykle ke ztrátě jeho kinetické energie postupně, tzn. několika srážkami s částicemi hmoty, kdy postupně uvolňuje svoji energii ve formě tepelného záření. Některé elektrony však všechnu svoji energii ztratí při jednom nárazu. V takovém případě se všechna kinetická energie elektronu může přeměnit v částici elektromagnetického záření, tzn. ve foton. Tímto způsobem je možné získat fotony rentgenového záření.

Pokud dojde k přeměně energie elektronu ve foton jedním nárazem, bude fotonu dodáno největší možné množství energie, tzn.

E_k = h\nu_\mbox{max} = eU,

kde e je elektrický náboj elektronu a U je urychlující potenciál.

Vyjádřením pomocí vlnové délky získáme tzv. Duane-Huntův zákon.

\lambda_\mbox{min}U = \frac{hc}{e} = \mbox{konst},

kde c je rychlost světla. Z tohoto vztahu plyne, že se zvyšováním urychlujícího potenciálu se maximum energie posouvá ke kratším vlnovým délkám, což bylo také experimentálně pozorováno.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Fotoelektrický jev v roce 1887 poprvé popsal Heinrich Hertz. Pozoroval z pohledu tehdejší fyziky nevysvětlitelné chování elektromagnetického vlnění při dopadu na povrch kovu.

Kvantové vysvětlení poskytl Albert Einstein. Einstein za vysvětlení fotoelektrického jevu a za svůj přínos k teoretické fyzice dostal Nobelovu cenu v roce 1921. Nutno říct, že k tomu byla spíše politická pohnutka, kdy jeho teorie relativity nebyla ještě všeobecně přijatá, a tak Nobelova komise obdařila Einsteina Nobelovou cenou za dílčí obecně přijatý výsledek na poli kvantové fyziky a pro jistotu přidala komentář o zásluhách o teoretickou fyziku, kdyby snad na teorii relativity něco bylo.

Využití[editovat | editovat zdroj]

Fotoelektrický jev umožňuje využití solární energie a vytvoření fotočlánků, např. fotodiody nebo fototranzistoru.

Vnitřní fotoelektrický jev našel uplatnění především i na světlo citlivých polovodičů. Při osvětlení se uvolňují v polovodičích elektrony z atomových orbitalů a ty se pak mohou uplatnit jako nosiče proudu. Fotodiody se využívají například v solárních kalkulačkách.

Související články[editovat | editovat zdroj]

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu

[http://www.math.muni.cz/~xokrajek/fotoefekt.pdf Fotoelektrický jev] seminární práce, Bc. Petr Okrajek, Pedagogická fakulta Masarykovy univerzity, katedra Fyziky (.pdf)