Fenomene fizice în care se manifestă
aspectul corpuscular al luminii
Generalităţi.
In jurul anului 1675 Issac Newton a conceput teoria emisiei corpusculare cu privire la natura luminii, teorie pe care a
folosit-o pentru a explica o serie de fenomene luminoase. Conform acestei teorii raza de lumină reprezintă
traiectoria unor particule foarte mici emise de sursa de lumină. Teoria emisiei corpusculare a fost în
contradicţie cu teoria ondulatorie a lui C. Huygens care a fost adoptată în unanimitate de fizicieni
odată cu descoperirea lui T. Young si Fresnel cu privire la suprapunerea a doua fascicule provenite de la o sursa
monocromatica de lumina care in anumite conditii fac ca in punctele din spatiul in care are loc suprapunerea sa existe
o distributie diferita a intensitatii luminoase. Teoria ondulatorie a luminii a fost folosita la explicarea fenomenelor
de interferenta, difractie si de polarizare a luminii. Pentru a putea explica unele fenomene de absorbtie si emisie de
lumina teoria ondulatorie a fost modificata in anul 1864 de catre James Clerk Maxwell care a stabilit ca unda electromagnetica
si unda de lumina se propaga cu aceeasi viteza intr-un mediu dat (v=1/√με) unde ε este permitivitatea
mediului, iar μ reprezinta permeabilitatea magnetica a mediului), diferenta dintre cele doua tipuri de unde este data
de frecventa de oscilatie sau de lungimea de unda si
de felul cum iau nastere aceste unde. Undele electromagnetice cu lungime de unda mare sunt produse de oscilatiile purtatorilor
de sarcina electrica din corpurile microscopice, in timp ce undele luminoase se produc prin oscilatiile electronilor din atomi
si molecule. O serie de noi fapte experimentale descoperite in ultimul sfert de veac al secolului al XIX-lea si inceputul
secolului XX aduc din nou in discutie problema naturii luminii, deoarece au aparut neconcordante intre rezultatele
experimentale si ideile fizicii clasice. Astfel de neconcordante au aparut atunci cand s-a incercat sa se explice
radiatia termica, caldurile specifice ale solidelor, fenomenul fotoelectric si fenomenul Compton.
Efectul fotoelectric extern
In timpul efectuarii unor experimente ce au avut ca scop studierea transmisiei undelor electromagnetice
H. Hertz a observat ca daca lumina produsa de descarcarea in scanteie a circuitului excitator (primar) ajunge pe sferele
circuitului rezonator (secundar), atunci scanteile induse pe cele doua sfere S'si S" se produc mult mai usor.
a)Circuitul oscilant excitator (primar): E, r reprezinta tensiunea electromotoare si rezistenta
interna a sursei electrice, L si
C este bobina, respectiv condensatorul circuitului oscilant, S
1 si S
2 sunt sferele intre care se
produce descarcare electrica.
b)Circuitul osclant rezonator (secundarul)
Pentru a stabili daca lumina produsa de circuitul oscilant excitator prin descarcare electrica
influenteaza scanteia indusa, Hertz a asezat un obstacol opac intre cele doua circuite. El a observat ca scanteia dintre
S
1' si S
2"este mai slaba. A efectuat experimentul cu un obstacol din sticla si a constatat ca efectul
este acelasi, dar schimband obstacolul cu altul din cuart care este transparent pentru radiatii ultraviolete,
scanteia indusa este din nou influentata puternic. Hertz a tras concluzia ca radiatiile ultraviolete influenteaza descarcarea
electrica. In anul 1888 fizicianul englez, W. Hallwachs dupa un an de la constatarea lui Hertz a observat ca un electroscop
incarcat cu sarcina electrica pozitiva ramane mult timp incarcat cu aceeasi sarcina electrica pozitiva chiar daca este iradiat
cu radiatii ultraviolete, in schimb un electroscop incarcat cu sarcina electrica negativa daca este iradiat cu radiatii
ultraviolete se descarca foarte rapid, iar daca este descarcat prin iradiere se incarca cu sarcina electrica pozitiva
Hallwachs pentru a explica fenomenul a emis ipoteza ca sub actiunea radiatiilor ultraviolete suprafata metalica emite
niste particule cu sarcina electrica negativa.
Joseph John Thomson a numit particulele emise de suprafetele metalice sub influenta radiatiilor ultraviolete electroni.
Emisia de electroni sub actiunea radiatiilor electromagnetice se numeste efect fotoelectric extern.
Daca iradierea cu radiatii electromagnetice conduce la aparitia electronilor de conductie in interiorul unor substante
semiconductoare efectul fotoelectric este intern. Electronii emisi de catre suprafetele metalice iradiate se numesc
fotoelectroni.
Studiul efectului fotoectric extern
Studiul efectului fotoectric extern se poate face folosind montajul realizat dupa schema din figura alaturata.
Placile C si A (catodul si anodul) sunt plasate in interiorul unui tub de stica din care s-a scos aerul. Radiatia ultravioleta
provenita de la un arc electric este dirijata cu ajutorul unei lentile convergente din cuart spre catod printr-o fereastra
din cuart ( cuartul este transparent pentru radiatiile ultraviolete). Se aplica intre cele doua placi o tensiune reglabila
cu potentiometrul R, masurata de voltmetru. Particulele emise de catod - fotoelectronii - vor fi colectati de anod si prin
circuit trece un curent electric masurat de microamprmetru. In tubul de sticla fiind vid curentul electric din circuitul
exterior al montajului este creat numai de fotoelectonii emisi de placa iradiata. Cu ajutorul acestui aranjament
experimental se pot stabili legile efectului fotoelectric
extern. Pentru a reprezenta grafic intensitatea curentului de fotoelectroni in functie de tensiunea dintre catod si anod se
iradiaza catodul cu lumina monocromatica de frecventa data de filtru si de flux energetic constant (Energia radianta
transportata in unitate de timp de fasciculul de radiatie) si se variaza tensiunea dintre electrozi.
Pentru fiecare valoare a tensiunii citita la voltmetru se noteza intesitatea curentului fotoelectric indicata de microampermetru. Cu perechile de valori se ridica graficul I (μ A) in functie de U (V) si se obtine diagrama din figura numita caracteristica
tensiune-curent a efectului fotoelectric extern.
Curentul de fotoelectroni masurat la U = 0 V se numeste curent de intuneric si apare datorita fotoelectronilor ce reusesc sa
ajunga la anod in absenta campului electric accelerator. Pe masura ce creste tensiunea dintre catod si anod are loc o crestere
corespunzatoare a fortei campului electric accelerator care dirijeaza spre anod un numar din ce in ce mai mare de fotoelectroni. Numarul mare de fotoelectroni colectati determina o crestere a intensitatii curentului de fotoelectroni. Prin cresterea continua a tensiunii se ajunge la un moment dat ca toti fotoelectronii emisi de catod in unitate
de timp sa fie colectati de anod in acelasi interval de timp, intensitatea curentului fotoelectric obtinut se numeste
intensitatea curentului fotoelectric de saturatie(Is). Daca se schimba polaritatea placilor aplicand un potential negativ
anodului, in spatiul dintre placi apare un camp electric de franare care se opune deplasarii fotoelectronilor spre anod.
Exista totusi un curent de intensitate foarte mica(de ordinul nanoamperilor) care se stabileste in circuitul exterior
datorita fotoelectronilor emisi de catod cu viteze mari ce reusesc sa strabata spatiul catod-anod invingand campul
electric de franare. Fotoelectronii nu mai ajung la anod atunci cand lucrul mecanic al campului electric de franare
(e·Us)este egal cu energia cinetica maxima a fotoelectronilor emisi de
catod.
Ec max=mv/2=eUs. (1)
Us este tensiunea de stopare, adica tensiunea pentru care intensitatea curentului fotoelectric este zero,
m
o =9,1·10
-31kg - masa electronului, v - viteza maxima a electronului,
e = 1,6·10
-19C
- sarcina electrica a electronului (e = 1,6·10
-19 C)