Definicija i objašnjenje fotoelektričnog efekta

Fotoelektrični učinak nastaje kada tvar emitira elektrone nakon izlaganja elektromagnetskom zračenju, poput fotona svjetlosti. Evo bližeg pogleda o tome što je fotoelektrični učinak i kako djeluje.

Djelomično se proučava fotoelektrični učinak, jer može biti uvod u dualnost valnih čestica i kvantna mehanika.

Kada je površina izložena dovoljno energičnoj elektromagnetskoj energiji, svjetlost će se apsorbirati i elektroni će se emitirati. Frekvencija praga je različita za različite materijale. to je vidljivo svjetlo za alkalne metale, blizu ultraljubičasto svjetlo za ostale metale i ekstremno ultraljubičasto zračenje za nemetale. Fotoelektrični efekt javlja se kod fotona koji imaju energiju od nekoliko elektrona do preko 1 MeV. Pri visokoj fotonskoj energiji usporedivoj s energijom mirovanja elektrona od 511 keV, može doći do raspršivanja komtona, a proizvodnja parova može se dogoditi pri energijama većim od 1,022 MeV.

Einstein je predložio da se svjetlost sastoji od kvante, koju nazivamo fotoni. Rekao je da je energija u svakom kvantu svjetlosti jednaka frekvenciji pomnoženoj sa konstantom (Planckova konstanta) i da foton s frekvencijom preko određenog praga imao bi dovoljno energije za izbacivanje jednog elektrona, stvarajući fotoelektričnu utjecaj. Ispada da svjetlost ne treba kvantizirati kako bi se objasnio fotoelektrični učinak, ali neki udžbenici ustrajavaju i govore kako fotoelektrični učinak pokazuje prirodu čestica svjetlo.

Einsteinova interpretacija fotoelektričnog efekta rezultira jednadžbama koje vrijede za vidljivo i Ultraljubičasto svijetlo:

energija fotona = energija potrebna za uklanjanje elektrona + kinetička energija emitiranog elektrona

hν = W + E

gdje
h je Planckova konstanta
ν je učestalost incidenta foton
W je radna funkcija, koja je minimalna energija potrebna za uklanjanje elektrona s površine određenog metala: hν₀
E je maksimum kinetička energija izbačenih elektrona: 1/2 mv²
ν₀ je granična frekvencija fotoelektričnog učinka
m je ostatak mase izbačenog elektrona
v je brzina izbačenog elektrona

Neće se emitirati elektron ako je energija padajućeg fotona manja od radne funkcije.

Primjena Einsteinova posebna teorija relativnosti, odnos između energije (E) i momenta (p) čestice je

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

gdje je m ostatak mase čestice i c je brzina svjetlosti u vakuumu.

• Brzina kojom se fotoelektroni izbacuju izravno je proporcionalna intenzitetu upadne svjetlosti za određenu frekvenciju upadnog zračenja i metala.
• Vrijeme između incidencije i emisije fotoelektrona vrlo je malo, manje od 10^–9 drugi.
• Za dani metal postoji minimalna učestalost upadnog zračenja ispod koje se neće dogoditi fotoelektrični efekt, tako da se ne mogu emitirati fotoelektroni (prag frekvencije).
• Iznad praga frekvencije, maksimalna kinetička energija emitiranog fotoelektrona ovisi o učestalosti upadajućeg zračenja, ali nije ovisna o njegovom intenzitetu.
• Ako je upadna svjetlost linearno polarizirana, tada će usmjerena raspodjela emitiranih elektrona imati vrhunac u smjeru polarizacije (smjer električnog polja).

Kada svjetlost i tvar djeluju, moguće je nekoliko procesa, ovisno o energiji upadnog zračenja. Fotoelektrični učinak nastaje kao rezultat slabe svjetlosti. Srednja energija može proizvesti Thomson raspršivanje i Compton raspršivanje. Visokoenergetsko svjetlo može izazvati proizvodnju para.