Definisjon og forklaring av fotoelektrisk effekt

Den fotoelektriske effekten oppstår når materien avgir elektroner ved eksponering for elektromagnetisk stråling, for eksempel lysfotoner. Her er en nærmere titt på hva den fotoelektriske effekten er og hvordan den fungerer.

Den fotoelektriske effekten studeres delvis fordi den kan være en introduksjon til bølge-partikkel dualitet og kvantemekanikk.

Når en overflate blir utsatt for tilstrekkelig energisk elektromagnetisk energi, absorberes lys og elektroner sendes ut. Terskelfrekvensen er forskjellig for forskjellige materialer. Det er synlig lys for alkalimetaller, nær ultrafiolett lys for andre metaller, og ekstrem ultrafiolett stråling for ikke-metaller. Den fotoelektriske effekten oppstår ved fotoner som har energier fra noen få elektronvolt til over 1 MeV. Ved høye foton-energier som kan sammenlignes med elektron-hvileenergien på 511 keV, kan Compton-spredning forekomme parproduksjon kan finne sted ved energier over 1.022 MeV.

Einstein foreslo at lys besto av kvanta, som vi kaller fotoner. Han antydet at energien i hvert lyskvantum var lik frekvensen multiplisert med en konstant (Plancks konstant) og at en foton med en frekvens over en viss terskel ville ha tilstrekkelig energi til å skyte ut et enkelt elektron, og produsere det fotoelektriske effekt. Det viser seg at lys ikke trenger å bli kvantifisert for å forklare den fotoelektriske effekten, men noen lærebøker fortsetter med å si at den fotoelektriske effekten demonstrerer partikkelens natur lys.

Einsteins tolkning av den fotoelektriske effekten resulterer i ligninger som er gyldige for synlige og ultrafiolett lys:

energi fra foton = energi som trengs for å fjerne et elektron + kinetisk energi fra det utsendte elektronet

hν = W + E

hvor
h er Plancks konstante
v er hendelsens hyppighet foton
W er arbeidsfunksjonen, som er den minste energien som kreves for å fjerne et elektron fra overflaten til et gitt metall: hν₀
E er maksimalt kinetisk energi av elektroner som kastes ut: 1/2 mv²
ν₀ er terskelfrekvensen for den fotoelektriske effekten
m er restmassen til det kastede elektronet
v er hastigheten til det kastede elektronet

Ingen elektron vil bli avgitt hvis fotografens energi er mindre enn arbeidsfunksjonen.

påføring Einsteins spesielle relativitetsteori, er forholdet mellom energi (E) og momentum (p) til en partikkel

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

hvor m er partiets hvilemasse og c er lysets hastighet i et vakuum.

• Hastigheten som fotoelektroner kastes ut er direkte proporsjonal med intensiteten til det innfallende lyset, for en gitt frekvens av innfallende stråling og metall.
• Tiden mellom forekomsten og utslippet av et fotoelektron er veldig liten, mindre enn 10^–9 sekund.
• For et gitt metall er det en minimumsfrekvens av innfallende stråling under hvilken den fotoelektriske effekten ikke vil oppstå, så ingen fotoelektroner kan sendes ut (terskelfrekvens).
• Over terskelfrekvensen er den maksimale kinetiske energien til det utsendte fotoelektron avhengig av frekvensen av den innfallende strålingen, men er uavhengig av dens intensitet.
• Hvis det innfallende lyset er lineært polarisert, vil retningsfordelingen til utsendte elektroner toppe i polarisasjonsretningen (retningen til det elektriske feltet).

Når lys og materie samvirker, er det mulig med flere prosesser, avhengig av energien fra innfallende stråling. Den fotoelektriske effekten er resultatet av lite energi. Midtenergi kan produsere Thomson spredning og Compton spredning. Lys med høyt energi kan føre til parproduksjon.