Fotoelektriskais efekts — definīcija, principi un Einšteina skaidrojums
Fotoelektriskais efekts ir fizikāla parādība, kurā elektromagnētiskā starojuma daļiņas — fotoni — izsit elektronus no materiāla virsmas, parasti metāla. Kad fotons ietriecas elektronā uz metāla virsmas, elektrons var tikt izstarots; šos izstarotos elektronus sauc par fotoelektroniem. Šo efektu pirmo reizi novēroja Heinrihs Rūdolfs Hercs, tāpēc to dažkārt sauc par Herca efektu, taču vispārīgāk tiek lietots nosaukums fotoelektriskais efekts. Tas bija svarīgs pavērsiens, kas palīdzēja fiziķiem labāk izprast gaismas un elektronu kvantu dabu un veicināja viļņu un daļiņu dualitātes jēdziena attīstību.
Pamats un Einstein skaidrojums
Klasiķiskā viļņu teorija spēja izskaidrot daudzas gaismas parādības, taču tā nespēja pamatoti prognozēt dažas fotoelektriskā efekta īpašības: piemēram, eksistē slieksņa frekvence, zem kuras elektroni netiek emitēti, un fotoelektronu kinētiskā enerģija nav atkarīga no starojuma intensitātes, bet gan no gaismas frekvences. Šos novērojumus 1905. gadā izskaidroja Alberts Einšteins, pieņemot, ka gaisma sastāv no kvantu porcijām — fotoniem — ar enerģiju
E = h·ν
kur h ir Planka konstante un ν — gaismas frekvence. Lai elektrons tiktu izsitams no metāla virsmas, fotona enerģijai jābūt vismaz vienādai ar materiāla darba funkciju (φ) — minimālo enerģiju, kas nepieciešama elektrona atbrīvošanai no virsmas. Ja fotona enerģija pārsniedz darba funkciju, liekā daļa pārvēršas fotoelektrona kinetiskajā enerģijā:
KE_max = h·ν − φ
No formulas seko slieksņa (kritiskā) frekvence ν0 = φ / h: ja ν < ν0, elektronus neizdodas izsist neatkarīgi no gaismas intensitātes. Palielinot starojuma intensitāti, pieaug izsisto elektronu skaits (t.i., plūsma), bet katra fotoelektrona kinētiskā enerģija nemainās — tā ir atkarīga no frekvences. Par šādu fotoelektriskā efekta likumu pareizību Einšteins saņēma 1921. gadā Nobela prēmiju fizikā.
Galvenās īpašības un novērojumi
- Praxiskais slieksnis: katram materiālam ir sava darba funkcija φ (bieži izteikta elektronvoltos, eV).
- Atkarība no frekvences: fotoelektronu maksimālā kinētiskā enerģija palielinās ar fotonu frekvenci.
- Atkarība no intensitātes: augstāka intensitāte nozīmē vairāk fotonu un līdz ar to lielāku izsisto elektronu skaitu, bet ne lielāku kinētisko enerģiju.
- Momentāna izmešana: ja fotonu enerģija pārsniedz slieksni, elektroni tiek izsisti praktiski uzreiz, bez ievērojamas kavēšanās, ko klasiskais modelis nevarēja izskaidrot.
Veidi un saistītās parādības
- Eksternais fotoelektriskais efekts: elektroni tiek izsisti no materiāla virsmas ārpus materiāla (piemēram, vakuumā).
- Internais fotoelektriskais efekts: optiskā iedarbība noved pie brīvās lādiņnesēju (elektronu vai caurumu) skaita palielināšanās materiālā, kas maina tā elektrisko vadītspēju — svarīgi pusvadītājos.
- Fotovoltaiskais efekts: saules bateriju darbības pamatā esošā parādība. Lai gan saistīta ar fotoelektriskiem procesiem, fotovoltaiskais efekts darbojas starp dažādām enerģiju līmeņu struktūrām pusvadītājos un tehniski atšķiras no ārējā fotoelektriskā efekta.
Vēsturiski un eksperimentāli apstiprinājumi
Kaut arī Hercs pirmreizēji novēroja efektu, pilnīgu teorētisku izskaidrojumu deva Einšteins. Vēlāk, sākotnēji 1910.–1920. gados, Roberta Millikana un citu eksperimenti precīzi izmērīja fotoelektronu kinētisko enerģiju atkarībā no gaismas frekvences un apstiprināja Einšteina prognozes, precizējot Planka konstantes vērtību no eksperimentiem.
Lietojumi
- Fotoelementi un fotokontakti (fototransistori, fotodiodes) — gaismas detektori.
- Fotomultiplikatori — ļoti jutīgi gaismas detektori, kas izmanto sekundāro emisiju.
- Sistēmas, kas izmanto fotoelektriskās emisas principus vakuuma elektroniskajās ierīcēs (piem., agrīnajās televīzijas kamerās, skeneros).
- Saules baterijas — izmanto radniecīgas optiskās un elektriskās parādības pusvadītājos (fotovoltaika).
Piezīmes par materiāliem
Darba funkcija φ atšķiras atkarībā no materiāla un virsmas stāvokļa (piem., piesārņojums, oksidācija var mainīt φ). Metāliem parasti ir salīdzinoši zemas darba funkcijas, bet pusvadītājiem lomu spēlē arī joslu struktūra (joslu platums — bandgap). Praktiskos pielietojumos tiek izvēlēti materiāli, kuru darba funkcija atbilst nepieciešamajai gaismas frekvencei.
Fotoelektriskais efekts bija viens no galvenajiem eksperimentālajiem pavedieniem kvantu teorijas attīstībā, un tā sapratne ir pamats daudziem mūsdienu optoelektronikas risinājumiem.
Diagramma, kas parāda, kā no metāla plāksnes tiek izstaroti elektroni.
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.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fotoelektriskais efekts?
A: Fotoelektriskais efekts ir parādība fizikā, kad elektromagnētiskais starojums sastāv no daļiņām, ko sauc par fotoniem, un, kad tie trāpa pret elektroniem uz metāla virsmas, var tikt izstaroti elektroni, veidojot fotoelektronus.
J: Kas atklāja fotoelektrisko efektu?
A: Fotoelektrisko efektu atklāja Heinrihs Rūdolfs Hercs.
J: Kāpēc fotoelektrisko efektu sauc arī par Herca efektu?
A: Fotoelektrisko efektu sauc arī par Herca efektu, jo to atklāja Heinrihs Rūdolfs Hercs.
J: Kas ir viļņu un daļiņu dualitāte?
A: Viļņu un daļiņu dualitāte ir koncepcija, kas radusies fotoelektriskā efekta dēļ, kas palīdzēja fiziķiem izprast gaismas un elektronu kvantu būtību.
J: Kas ierosināja fotoelektriskā efekta likumus?
A: Fotoelektriskā efekta likumus ierosināja Alberts Einšteins.
J: Kāds bija fotoelektriskā efekta ieguldījums fizikā?
A: Fotoelektriskais efekts palīdzēja fiziķiem izprast gaismas un elektronu kvantu dabu, attīstot viļņu un daļiņu dualitātes jēdzienu, kā arī veicināja Alberta Einšteina, kurš 1921. gadā saņēma Nobela prēmiju fizikā, ierosināto fotoelektriskā efekta likumu izstrādi.
J: Kā sauc fotoelektriskā efekta izstarotos elektronus?
A: Fotoelektriskā efekta laikā no metāla virsmas emitētos elektronus sauc par fotoelektroniem.
