Den fotoelektriske effekt opstår, når materie udsender elektroner, når de udsættes for elektromagnetisk stråling, såsom lysfotoner. Her er et nærmere kig på, hvad den fotoelektriske effekt er, og hvordan den fungerer.
Oversigt over den fotoelektriske effekt
Den fotoelektriske effekt studeres delvis, fordi den kan være en introduktion til bølge-partikel dualitet og kvantemekanik.
Når en overflade udsættes for tilstrækkelig energisk elektromagnetisk energi, optages lys og elektroner udsendes. Tærskelfrekvensen er forskellig for forskellige materialer. det er synligt lys til alkalimetaller, nær ultraviolet lys til andre metaller og ekstrem ultraviolet stråling til ikke-metaller. Den fotoelektriske virkning forekommer med fotoner, der har energier fra nogle få elektronvolt til over 1 MeV. Ved de høje foton-energier, der kan sammenlignes med elektronrest-energien på 511 keV, kan Compton-spredning forekomme parproduktion kan finde sted ved energier over 1.022 MeV.
Einstein foreslog, at lys bestod af kvanta, som vi kalder fotoner. Han foreslog, at energien i hvert lyskvantum var lig med frekvensen ganget med en konstant (Plancks konstant), og at en foton med en frekvens over en bestemt tærskel ville have tilstrækkelig energi til at skubbe en enkelt elektron ud, hvilket producerer det fotoelektriske effekt. Det viser sig, at lys ikke behøver at kvantificeres for at forklare den fotoelektriske effekt, men nogle lærebøger fortsætter med at sige, at den fotoelektriske effekt demonstrerer partikelkvaliteten af lys.
Einsteins ligninger for den fotoelektriske effekt
Einsteins fortolkning af den fotoelektriske effekt resulterer i ligninger, der er gyldige for synlige og ultraviolet lys:
foton energi = energi, der er nødvendig for at fjerne en elektron + kinetisk energi fra det udsendte elektron
hν = W + E
hvor
h er Plancks konstante
v er hyppigheden af hændelsen foton
W er arbejdsfunktionen, som er den minimale energi, der kræves for at fjerne et elektron fra overfladen af et givet metal: hν0
E er det maksimale kinetisk energi af udkastede elektroner: 1/2 mv2
ν0 er tærskelfrekvensen for den fotoelektriske effekt
m er hvilemassen for det udkastede elektron
v er hastigheden for det udkastede elektron
Der udsendes ingen elektron, hvis den hændende fotons energi er mindre end arbejdsfunktionen.
Anvendelse Einsteins specielle relativitetsteori, er forholdet mellem energi (E) og momentum (p) for en partikel
E = [(pc)2 + (mc2)2](1/2)
hvor m er partiets hvilemasse og c er lysets hastighed i et vakuum.
Nøglefunktioner ved den fotoelektriske effekt
- Den hastighed, hvormed fotoelektroner skubbes ud, er direkte proportional med intensiteten af det indfaldende lys for en given frekvens af indfaldende stråling og metal.
- Tiden mellem forekomsten og emissionen af et fotoelektron er meget lille, mindre end 10–9 anden.
- For et givet metal er der en minimumsfrekvens af indfaldende stråling, under hvilken den fotoelektriske effekt ikke vil forekomme, så ingen fotoelektroner kan udsendes (tærskelfrekvens).
- Over tærskelfrekvensen afhænger den emitterede fotoelektrons maksimale kinetiske energi af frekvensen af den indfaldende stråling, men er uafhængig af dens intensitet.
- Hvis det indfaldende lys er lineært polariseret, vil retningsfordelingen af udsendte elektroner toppe i polarisationsretningen (det elektriske feltets retning).
Sammenligning af den fotoelektriske effekt med andre interaktioner
Når lys og stof interagerer, er flere processer mulige, afhængigt af energien fra indfaldende stråling. Den fotoelektriske virkning er resultatet af lys med lavt energi. Midtenergi kan producere Thomson-spredning og Compton spredning. Lys med høj energi kan forårsage parproduktion.