Fotoelektriskais efekts

Mehānisms

Ne katrs elektromagnētiskais vilnis izraisa fotoelektrisko efektu, tikai noteiktas vai augstākas frekvences starojums izraisa šo efektu. Nepieciešamo minimālo frekvenci sauc par "robežfrekvenci" vai "sliekšņa frekvenci". Robežfrekvenci izmanto, lai atrastu darba funkciju, w {\displaystyle w}. , kas ir enerģijas daudzums, kas notur elektronu pie metāla virsmas. Darba funkcija ir metāla īpašība, un to neietekmē ienākošais starojums. Ja uz metāla virsmu iedarbojas gaisma ar frekvenci, kas ir lielāka par robežfrekvenci, tad izstarotajam elektronam būs zināma kinētiskā enerģija.

Fotona enerģiju, kas izraisa fotoelektrisko efektu, nosaka ar formulu E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w}. , kur h {\displaystyle h} ir Planka konstante, 6,626×10 ⁻³⁴J-s, f {\displaystyle f} ir elektromagnētiskā viļņa frekvence, K E {\displaystyle KE} ir fotoelektrona kinētiskā enerģija un w {\displaystyle w} ir metāla darba funkcija. Ja fotonam ir liela enerģija, var notikt Komptona izkliedēšana (~ tūkstošiem eV) vai pāru veidošanās (~ miljoniem eV).

Gaismas intensitāte pati par sevi neizraisa elektronu izmešanu. To var izdarīt tikai gaisma ar atslēgšanas frekvenci vai augstāku frekvenci. Tomēr, palielinot gaismas intensitāti, izstaroto elektronu skaits palielināsies, ja vien frekvence ir augstāka par izslēgšanas frekvenci.

Vēsture

1887. gadā Heinrihs Hercs pirmo reizi novēroja fotoelektrisko efektu. Viņš ziņoja, ka dzirkstele vieglāk pārlēca starp divām lādētām lodītēm, ja tās apstaroja gaisma. Tika veikti turpmāki pētījumi, lai uzzinātu par Herca novēroto efektu. 1902. gadā Filips Lenards parādīja, ka fotoelektrona kinētiskā enerģija nav atkarīga no gaismas intensitātes. Tomēr tikai 1905. gadā Einšteins ierosināja teoriju, kas pilnībā izskaidroja šo efektu. Teorija nosaka, ka elektromagnētiskais starojums ir virkne daļiņu, ko sauc par fotoniem. Fotoni saduras ar virsmas elektroniem un izstaro tos. Šī teorija bija pretrunā ar uzskatu, ka elektromagnētiskais starojums ir vilnis. Tāpēc sākotnēji tā netika atzīta par pareizu. 1916. gadā Roberts Millikans publicēja eksperimentos iegūtos rezultātus, izmantojot vakuuma fototērpi. Viņa darbs parādīja, ka Einšteina fotoelektriskais vienādojums ļoti precīzi izskaidro šo parādību. Tomēr Millikans un citi zinātnieki lēnāk pieņēma Einšteina gaismas kvantu teoriju. Maksvela viļņu teorija par elektromagnētisko starojumu nevar izskaidrot fotoelektrisko efektu un melnā ķermeņa starojumu. Tos izskaidro kvantu mehānika.