KVANTOVÁ OPTIKA 16. Fotoelektrický jev OPTICKÉ JEVY KVANTOVÁ OPTIKA 16. Fotoelektrický jev Mgr. Marie Šiková www.zlinskedumy.cz

Anotace Materiál vysvětluje a třídí základní pojmy této kapitoly fyziky. Materiál může být doplněn výkladem učitele, ale umožňuje také použití pro samostatnou práci žáků. Autor Mgr. Marie Šiková Jazyk Čeština Očekávaný výstup 23-41-M/01 Strojírenství 26-41-M/01 Elektrotechnika Speciální vzdělávací potřeby - žádné - Klíčová slova Fotoelektrický jev, výstupní práce, mezní frekvence, Einsteinova rovnice pro vnější fotoelektrický jev Druh učebního materiálu Prezentace Druh interaktivity Kombinované Cílová skupina Žák Stupeň a typ vzdělávání odborné vzdělávání Typická věková skupina 16 - 19 let Vazby na ostatní materiály Je součástí šablony OPJ (optické jevy)

Fotoelektrický jev Osnova: 1) Úvod 2) Podstata fotoelektrického jevu 3) Druhy fotoelektrického jevu 4) Einsteinova rovnice pro fotoelektrický jev 5) Podmínky vzniku fotoelektrického jevu 6) Užití fotoelektrického jevu

ad 1) Úvod Objev M. PLANCKA, že zářící těleso vyzařuje energii nespojitě a vyzářená energie je celistvým násobkem kvanta energie E = h . f podstatným způsobem ovlivnil další rozvoj fyziky. Zobecněná představa o nespojité, kvantové povaze elektromagnetického záření je základním poznatkem kvantové optiky, která studuje jevy při vyzařování a šíření záření a při vzájemném působení záření a látky. K nejdůležitějším jevům kvantové optiky patří fotoelektrický jev, který je důkazem kvantové povahy elektromagnetického záření.

Pevná látka, většinou kov ad 2) Podstata fotoelektrického jevu Fotoelektrický jev nastává při vzájemném působení elektromagnetického záření a látky, přičemž je energie záření předávána elektronům v látce. Dopadající světlo - - -- Pevná látka, většinou kov © Marie Šiková 2013 Nastává fotoemise elektronů

ad 3. Druhy fotoelektrického jevu Podle toho, zda uvolněné elektrony opouštějí povrch látky ( zejména kovů a polovodičů ) nebo zůstávají uvnitř, rozlišujeme: a) vnější fotoelektrický jev elektrony povrchem unikají z látky b) vnitřní fotoelektrický jev uvolněné elektrony setrvávají v látce a zvyšují její vodivost

ad 4) Einsteinova rovnice pro fotoelektrický jev Zákony fotoelektrického jevu vyložil v roce 1905 na základě Planckovy kvantové teorie záření Albert Einstein. Ten za vypracování teorie fotoelektrického jevu obdržel v roce 1921 Nobelovu cenu. Při fotoelektrickém jevu každý fotoelektron pohltí jedno kvantum energie záření h.f a jeho celková energie se zvětší. Získaná energie se spotřebuje na uvolnění elektronu z kovu ( vykoná se výstupní práce Wv ) a fotoelektron získá určitou kinetickou energii ½.me.v2, kde me je hmotnost elektronu a v je velikost jeho rychlosti po uvolnění z kovu.

Zákon zachování energie při tomto ději vyjadřuje Einsteinova rovnice pro vnější fotoelektrický jev: h.f = Wv + ½.me.v2 Výstupní práce fotoelektronu je tím větší, čím pevněji je elektron vázán ve struktuře kovu. Nejmenší výstupní práci mají alkalické kovy. Např. cesium 1,93 eV a sodík 2,28 eV. Proto jsou vhodné jako materiál fotokatody ve fotonce.

ad 5) Podmínky vzniku fotoelektrického jevu Fotoelektrický jev nastane, když kvantum energie záření pohlcené elektronem je alespoň rovno výstupní práci elektronu WV = h. fm tzn. když h.f ≥ h.fm Pro každý kov tedy existuje mezní vlnová délka λm = c/fm, která představuje horní hranici, při níž nastává fotoelektrický jev. U alkalických kovů odpovídá mezní vlnová délka viditelnému záření ( cesium 642 nm, sodík 544 nm ), u ostatních kovů je výstupní práce větší a λm odpovídá UV záření. ( např. měď, Wv = 4,48 kV a λm = 277 nm ). Proto u většiny kovů při ozářením světlem vnější fotoelektrický jev nenastává.

ad 6) Užití fotoelektrického jevu Fotoelektrický jev má široké uplatnění v technické praxi, v soustavách automatizace, v měřících přístrojích, v nejrůznějších optoelektronických zařízeních ( např. k dálkovému ovládání přístrojů spotřební elektroniky ), v snímacích elektronkách televizních kamer, v slunečních bateriích používaných v kosmonautice a jinde. Používání vakuových, popř. plynem plněných fotonek bylo překonáno polovodičovými součástkami, ve kterých se využívá vnitřní fotoelektrický jev. Nejjednodušší jsou fotorezistor a fotodioda.

Literatura MECHLOVÁ, Erika a Karel KOŠŤÁL. Výkladový slovník fyziky pro základní vysokoškolský kurz. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2001. ISBN 80-7196-151-5. SVOBODA, Emanuel a kol. Přehled středoškolské fyziky. 4. uprav. vyd. Praha: Prometheus, 2006, 531 s. ISBN 80-719-6307-0. LEPIL, Oldřich, Milan BEDNAŘÍK a Radmila HÝBLOVÁ. Fyzika pro střední školy II. 3. vyd. Praha: Prometheus, 1993. ISBN 978-80-7196-185-7. LEPIL, Oldřich. Fyzika pro gymnázia: Optika. Dotisk 3. přepracovaného vyd. Praha: Prometheus, 2008. ISBN 978-80-7196-237-3. LEPIL, Oldřich. Malý lexikon fyziky. 1. vyd. Praha: Prometheus, 1995. ISBN 80-85849-77-1.