Efecte fotoelèctric
L’efecte fotoelèctric mostra que la llum transfereix energia en paquets: cada fotó aporta E = hf. Un electró només pot escapar d’una superfície si un sol fotó aporta prou energia per superar la funció de treball del material.
Primer el llindar, després la intensitat
hf = φ + Kmax
f₀ = φ/h
El balanç energètic és hf = φ + Kmax. La freqüència llindar f₀ = φ/h separa dos règims: per sota no hi ha fotoemissió, encara que augmentem molt la intensitat; per sobre, l’energia cinètica màxima creix amb la freqüència. Augmentar la intensitat, mantenint la freqüència, sol augmentar sobretot el nombre de fotons i per tant la quantitat d’electrons emesos, no l’energia de cadascun.
Explorador de llindar
El potencial d’aturada mesura l’energia dels fotoelectrons
Un voltatge contrari pot frenar els electrons emesos. Quan fins i tot els més energètics ja no arriben al col·lector, eVₛ = Kmax. Per això un gràfic de Vₛ contra f és lineal: la pendent és h/e i l’extrapolació fins a Vₛ = 0 identifica la freqüència llindar. Aquesta mesura connecta directament una magnitud elèctrica amb l’energia del fotó.
Què va establir l’experiment
L’emissió pot començar pràcticament sense retard quan f > f₀, mentre que cap espera ni una gran intensitat rescaten una freqüència subllindar. Això no concorda amb la idea clàssica que l’energia de l’ona s’acumula contínuament en un electró. El model de fotons explica el llindar i el balanç d’energia. Alhora, la mateixa radiació electromagnètica mostra interferència i difracció: el resultat no elimina el comportament ondulatori.
Llegir correctament les variables
La intensitat és potència per àrea i, a freqüència fixa, està relacionada amb el flux de fotons. La freqüència determina E = hf de cada fotó. Per això un feix intens de baixa freqüència pot no emetre cap electró si hf < φ. A l’inrevés, un feix feble però d’alta freqüència pot expulsar pocs electrons, però aquests poden tenir una energia cinètica considerable.
Exemples resolts
1. Trobar la longitud d’ona llindar
Solució
Per φ = 2,5 eV, λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.
2. Energia cinètica màxima
Solució
Fotons de 4,2 eV incideixen sobre una superfície amb φ = 2,0 eV. Kmax = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.
3. Potencial d’aturada
Solució
Si Kmax = 1,6 eV, un electró queda aturat amb aproximadament 1,6 V, perquè eVₛ = Kmax.