¿Por qué los electrones se mueven hacia el ánodo en el experimento del efecto fotoeléctrico?

Considere un aparato de experimento de efecto fotoeléctrico como se muestra en la figura 11.1

Figura 11.1

La variación de la fotocorriente con el voltaje aplicado a través A y C es como se muestra en la figura 11.3.

Figura 11.3

Mi pregunta -

¿Por qué la corriente no es cero incluso si el voltaje es cero?

Considere una situación en la que el voltaje entre las placas es cero. Los fotones de frecuencia suficiente golpean la superficie más externa del cátodo, la placa emisora C . Los electrones se liberan de la atracción del núcleo cuando su energía neta se vuelve positiva.

¿Por qué creo que no debería haber corriente neta?

Tan pronto como los fotones golpean la superficie exterior del cátodo (se supone que 1 a 10 diámetros atómicos de espesor), los electrones se liberan. Ahora, como los electrones tienen energía cinética, saldrán de esa superficie más externa. Ahora, los electrones (con energía cinética) deberían tener la misma probabilidad de ir en todas las direcciones de la superficie. Entonces, alrededor de la mitad de los electrones deben ir en la dirección correcta hacia el ánodo y golpearlo y la mitad debe ir hacia la izquierda, tratando de penetrar las superficies internas de la placa del cátodo.

Ahora, los electrones que irán a la derecha se enfrentarán a algún campo debido a la carga espacial presente en el tubo pero, sin embargo, algunos electrones llegarán definitivamente a la placa del ánodo. Después de que golpean con la placa del ánodo, encontrarán cierta resistencia, pero aun así, algunos electrones llegarán a los cables de cobre de baja resistencia conectados a la placa del ánodo y al miliamperímetro.

Ahora, considere los electrones que van hacia la izquierda. Definitivamente enfrentarán resistencia de la placa del cátodo, pero algunos aún alcanzarán el cable de cobre.

Ahora, como no hay diferencia de potencial aplicada entre A y C , no hay necesidad de conmutador y voltímetro. Entonces, el amperímetro está conectado en serie con las placas de ánodo y las placas de cátodo con cables de cobre.

Ahora, si hay una corriente de estado estable en el circuito, los electrones emitidos a cualquiera de los lados deberían dominar sobre el otro. Pero la cantidad de electrones emitidos en ambos lados es la misma, y ​​todos los electrones deben enfrentar la misma resistencia ya que la corriente (electrones) debe fluir en un circuito cerrado. Pero si el número y la velocidad de los electrones que provienen de ambos lados son iguales, no debería haber corriente neta. Pero hay. ¿Por qué?

Editar -

De las respuestas de anna v y mmainville, se puede ver que la emisión de electrones depende del ángulo de emisión de la luz. Pero aún así, la pregunta permanece. Si los electrones emitidos hacia el ánodo tienen suficiente energía para completar el circuito y nuevamente llegan a los agujeros en el cátodo a pesar de la resistencia intermedia, los electrones emitidos hacia la izquierda deberían tener suficiente energía para llegar a la placa del ánodo a través de cables de cobre y nuevamente ser expulsados ​​a través del ánodo. placa en virtud de su energía cinética y llegan a la placa del cátodo. También en este caso, la corriente debería ser cero, lo cual no es cierto. ¿Por qué?

No estoy seguro si esta es la respuesta a su pregunta, pero el metal está ionizado por la radiación incidente. Los electrones libres que se mueven hacia la izquierda están chocando con el metal y son absorbidos por él, es decir, el proceso de ionización se invierte y se emite energía pero no hay corriente.
@Resistencia Virft de C y los cables no son infinitos. Entonces, sí, algo de energía se disipará en forma de calor, pero de todos modos habrá un flujo de carga eléctrica. Además, después de que los electrones también choquen, también tendrán que enfrentar resistencia para completar el circuito.
"pero hay. Por qué" Porque los electrones que fueron al hemisferio negativo de la dispersión, a la red del cátodo, transfieren su impulso a toda la red del cátodo ( hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Solids/ band.html ) y quedan atrapados en el nivel de Fermi del cátodo y neutralizan la carga. No se genera corriente porque no hay movimiento de electrones fuera del cátodo. Los electrones dispersados ​​por el cátodo se convierten en un haz de partículas cargadas, por definición, una corriente que golpea el ánodo se detecta como carga adicional.
equilibrado por la carga positiva del cátodo sobrante de la extracción de los electrones del nivel de Fermi. en la dirección hacia atrás, sin carga extraída, en los electrones extraídos reenviados
Todavía no puedo entender por qué los electrones no pueden salir de la placa del cátodo hacia los cables de cobre de la izquierda. La placa del cátodo atrapará los electrones en el nivel de Fermi, pero ¿aún no escaparán algunos electrones? ¿Cómo se puede garantizar que la carga positiva creada en la superficie exterior será completamente neutralizada por los electrones que van hacia la izquierda?
Todo sucede en la superficie. Los electrones expulsados ​​de la superficie en un ángulo de retrodispersión al chocar contra ella de nuevo, se juntarán con el hueco que dejaron en la superficie al chocar con el fotón. Solo los que van hacia el ánodo (y por construcción el ánodo tiene una forma para aceptarlos) dejan un agujero positivo que solo puede ser llenado por electrones empujados desde el ánodo alrededor del circuito, hasta el cátodo.
No pueden volver a través del vacío ya que su agujero no tiene suficiente energía de atracción. La energía cinética del fotoelectrón empuja consecutivamente una serie de electrones a lo largo del circuito de corriente normal. Vista alternativa, complementaria, el hueco dejado por el electrón exitoso en el ánodo atrae electrones desde atrás y la atracción viaja a través del circuito hasta el ánodo.

Respuestas (4)

Ha supuesto que los fotoelectrones se distribuirán aleatoriamente en todas las direcciones. Esta suposición desafía la Ley de Conservación de la Energía y la Ley de Conservación del Momento.

La radiación entrante de la fuente S tiene cantidad de movimiento y energía que deben conservarse. Cuando la radiación entrante golpea la superficie del cátodo, parte de la energía y el momento se distribuyen por toda la red metálica en promedio hacia adentro y en el ángulo opuesto al normal con una energía de la función de trabajo. Las fuerzas de tracción en la estructura de celosía metálica aseguran esta distribución uniforme y la energía se transforma en calor. La energía restante debe reflejarse en algún ángulo que conserve el impulso y la energía. Esta energía reflejada y el momento son transportados por los fotoelectrones.

Entonces, de hecho, no hay electrones emitidos a la izquierda en su diagrama. De hecho, los fototubos generalmente están diseñados con una superficie de cátodo curvada de manera que los fotoelectrones se reflejan y enfocan hacia el ánodo.

También debe tenerse en cuenta que si los fotoelectrones se dispersaran en todas las direcciones, tendríamos una acumulación de carga eléctrica neta positiva en el lugar de creación de los fotoelectrones. Los electrones tendrían que entrar para reemplazar esta deficiencia desde algún lugar, pero esto sería inconsistente. El campo eléctrico apunta hacia este punto o lo aleja de él, y la desviación promedio de electrones estará determinada por este campo eléctrico. No puede ser ambos al mismo tiempo.

En realidad, los fotoelectrones viajan hacia el ánodo y el cable del cátodo proporciona una avalancha de electrones para reemplazar los huecos creados. Y, por lo tanto, tiene una corriente que fluye a través del tubo, el conmutador y el amperímetro, incluso con el potenciómetro ajustado a 0 V.

¿Eso implica que la corriente dependerá del ángulo de incidencia de la radiación?
Sí lo hace. Si observa imágenes de fototubos modernos y especialmente de fotomultiplicadores, tienen placas de enfoque para ayudar a garantizar que el haz de fotos reflejado realmente llegue al ánodo. De lo contrario, la eficiencia del fototubo es mucho menor y el efecto fotoeléctrico es muy difícil de medir.
He editado la pregunta de nuevo. Por favor, míralo.
No hay electrones emitidos a la izquierda. La energía que se distribuye a la izquierda es la energía de trabajo que equivale a la cantidad de energía para liberar los fotoelectrones (que se emiten a la derecha) de sus límites. La energía del trabajo se distribuye hacia la izquierda principalmente como calor. Los agujeros en la red del cátodo se crean a partir de los electrones liberados, lo que crea un campo eléctrico que extrae los electrones del ánodo y los introduce en el cátodo a través del cableado de cobre. El flujo de electrones en la dirección opuesta debe superar este campo eléctrico.

El efecto fotoeléctrico simple está aquí.

fotoel

Los electrones aparecen como una dispersión elástica. No hay al revés porque son absorbidos por la superficie metálica. Los electrones en el vacío en movimiento en una dirección son una corriente por definición de corriente. Como en todos los experimentos de dispersión con luz, hay un rayo que golpea el cátodo. En un cátodo fotosensible parte de los fotones que componen el haz en lugar de dispersarse elásticamente en el ángulo de dispersión y reconstruir el haz clásico en la dirección del ángulo de dispersión, extraerán un electrón.

En la dispersión de partículas, existe la probabilidad de que los electrones estén en todas las direcciones, pero existe un ángulo de mayor probabilidad que sigue la mayoría de los electrones dispersos. Así, los fotoelectrones tienen una dirección dominante. Los que vuelvan a entrar en la red metálica se neutralizarán con el agujero que dejaron cuando se dispersaron. Los que salen de la superficie dejarán un agujero atrás, como con el flujo de corriente normal. Esto es para rayos gamma, pero después de todo son fotones. Para energías bajas hay estudios que también dan una dirección preferente.

ángulo de foto con electrón

En su configuración, lo mismo es cierto, son los electrones que rebotan en la superficie del cátodo y golpean el ánodo y aparece una corriente. No hay vacío cuando la luz está encendida, porque los electrones transportan la corriente. Ya sea que haya una caída de voltaje o no, la geometría de la luz que se dispersa por el cátodo es la misma. La aplicación de un voltaje permite mapear el efecto.

Creo que la corriente es lo que mide el amperímetro. Los electrones emitidos desde ambos lados experimentan la misma resistencia y como la cantidad de electrones y sus velocidades emitidas en ambos lados es la misma, el amperímetro no debe registrar corriente.
No, el lado que mira al vacío no tiene resistencia. Los electrones salen como balas semicirculares. Los que están al revés son absorbidos, los que golpean el ánodo crean la continuación de la corriente en su trama.
Para completar el circuito, los electrones golpeados en el ánodo deben volver a alcanzar el cátodo, como se muestra en la figura 11.1. En un circuito cerrado, la corriente es la misma en todas partes y todos los electrones deberían experimentar la misma resistencia.
esa es la vista macroscópica, lea hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html . consulte physics.stackexchange.com/questions/123456/… El vacío tiene una resistencia infinita, por lo que no cae en la ley clásica V = I / R cuando hay un haz de electrones. ¿Te das cuenta de que el efecto fotoeléctrico es uno de los pilares sobre los que descansa el descubrimiento de la mecánica cuántica? el otro es radiación de cuerpo negro. El efecto fotoeléctrico genera un haz de electrones, que golpea el ánodo y cierra el circuito de vacío de resistencia infinita.
. Si no hubiera fotones, no habría corriente sin importar la diferencia de potencial de los otros elementos del circuito.
Perdona por molestarte de nuevo, pero he editado la pregunta. Por favor, míralo.
He editado la pregunta de nuevo. Por favor, míralo.

Los electrones comienzan en el cátodo. Si salen al vacío y luego regresan al cátodo, ahí es donde comenzaron, así que el efecto neto es que no ha pasado nada . Estos electrones contribuyen cero a la corriente. No contrarrestan los electrones que van al cátodo --> vacío --> ánodo.

La única forma de contrarrestar los electrones que van al cátodo --> vacío --> ánodo es tener otros electrones que comiencen en el ánodo y vayan al ánodo --> vacío --> cátodo. Pero este último no existe, porque la luz no brilla sobre el ánodo.

(ACTUALIZACIÓN: la pregunta se editó para sugerir que los electrones también salen del ánodo hacia el vacío, aunque no haya luz que brille en el ánodo. Está bien, es cierto que no se requiere luz para sacar electrones --- hay tal una cosa como " emisión de campo", e incluso la emisión de campo a un potencial bajo o cero para ciertos materiales del ánodo (por ejemplo, el diamante puede tener afinidad electrónica negativa). Y la cantidad de electrones que salen del ánodo no es literalmente cero, solo mucho mucho menos que la cantidad de electrones que salen del cátodo. La idea en la edición de la pregunta, es decir, que los electrones golpean el cátodo a alta velocidad y mantienen esta velocidad a través del cable, y luego salen volando del ánodo, es muy incorrecta. Un electrón en un cable experimenta algo así como fricción, y pierde su alta velocidad probablemente dentro de los nanómetros. De todos modos, si cree que los electrones deberían salir del ánodo oscuro con la misma frecuencia que el cátodo iluminado (no lo hacen), tal vez debería escribir una nueva pregunta diciendo por qué piensa eso. Está un poco lejos de tu pregunta original. Creo que obtendrás mejores respuestas de esa manera).

¿Los electrones que van al cátodo --> vacío --> ánodo no irán de nuevo al cátodo a través de los cables conductores y contrarrestarán la carga positiva creada en el cátodo?
Nota: no he votado negativamente la respuesta.
@ApoorvPotnis - ¡Sí! Los electrones que van al cátodo -> vacío -> ánodo luego pasan a través del amperímetro de regreso al cátodo para restablecer el equilibrio de carga. Mientras que los electrones que van al cátodo -> vacío -> cátodo no pasan a través del amperímetro en absoluto . "No pasar por el amperímetro en absoluto" es muy diferente de "pasar por el amperímetro en la dirección opuesta", que es lo que se requiere para poner a cero la medición de corriente neta del amperímetro.
He editado la pregunta de nuevo. Por favor, míralo.

Después de tu edición, estoy confundido. Así que reemplazo mi respuesta original a una pregunta de aclaración.

Según su descripción, parece que no está considerando la situación que se muestra en su imagen, sino la situación simétrica que se muestra a continuación: ingrese la descripción de la imagen aquíen lugar de etiquetar las "placas" como cátodo y ánodo, usé emisor mi y coleccionista C 1 y C 2 . Además, conecté a tierra cada plato, de modo que discutamos solo la situación descrita en su pregunta.

Ahora, todos los puntos que mencionas tienen sentido:

  • La mitad de los electrones se mueven hacia la izquierda y la otra mitad hacia la derecha.
  • No debe haber diferencia de potencial entre los dos colectores. C 1 y C 2 . Sin embargo, esto no es cierto para el emisor y uno de los colectores. Para ver esto, simplemente quite el suelo de todas las placas.
    1. Inicialmente (=antes de encender la luz) las tres placas mi , C 1 , C 2 no se modificará.
    2. Si encendemos las luces, el emisor emitirá electrones mi y será recogido por los dos coleccionistas C 1 , C 2 . Por lo tanto, se acumularán cargas negativas en los dos colectores. C 1 , C 2 , mientras que el emisor acumulará un déficit de carga negativa .
    3. Suponiendo que no fluya más corriente que los electrones libres desde o hacia las tres placas, el proceso finalmente se detendrá debido a la acumulación de potencial eléctrico. Se alcanza un estado de equilibrio. Importante: debido a que no hay conexión entre las tres placas, no cambiamos la distribución de carga. Simplemente capturamos la información, qué placa cobra cómo.

Ahora, podríamos medir la diferencia de potencial entre las tres placas y concluir que la corriente fluirá solo desde el emisor (=ánodo) hacia los colectores (cátodo).

EDITAR: para obtener la configuración de la pregunta original, debemos omitir la placa C 2 . Esto no cambia el papel del emisor y del colector: el colector. C 1 todavía acumula electrones (convirtiéndose así en el cátodo) y el emisor mi todavía "dona" electrones (convirtiéndose así en el ánodo).

¿Esta situación describe su pregunta real, o me estoy perdiendo por completo?

Sí. El diagrama describe lo que quiero decir. Pero has cambiado el aparato. Quiero la explicación de la corriente registrada por el amperímetro en la figura 11.1.
Cambié el aparato, porque el tuyo no describe la situación que estoy describiendo arriba. Por lo tanto, no entiendo tu comentario, pero esto puede ser, porque no entendí tu pregunta inicial. Espero que el otro pueda ayudarte.
Por cierto, ¿cómo creaste ese diagrama?
He editado la pregunta de nuevo. Por favor, míralo.
¿Por qué los electrones se mueven hacia el ánodo en el experimento del efecto fotoeléctrico?
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