Fotoelektrisk effekt
Den fotoelektriske effekt viser, at lys overfører energi i pakker: hvert foton har E = hf. En elektron kan kun forlade en overflade, hvis ét foton leverer nok energi til at overvinde materialets udtrækningsarbejde.
Først tærsklen, derefter intensiteten
hf = φ + Kmax
f₀ = φ/h
Energibalancen er hf = φ + Kmax. Tærskelfrekvensen f₀ = φ/h skiller to regimer: under den sker ingen fotoemission, uanset hvor meget intensiteten øges; over den vokser den maksimale kinetiske energi med frekvensen. Højere intensitet ved samme frekvens betyder især flere fotoner og dermed flere udsendte elektroner, ikke mere energi pr. elektron.
Tærskeludforsker
Stopspændingen måler fotoelektronernes energi
En modsat spænding kan bremse de udsendte elektroner. Når selv de mest energirige elektroner ikke længere når kollektoren, gælder eVₛ = Kmax. Derfor er en graf af Vₛ mod f lineær: hældningen er h/e, og ekstrapolation til Vₛ = 0 giver tærskelfrekvensen. En elektrisk måling kobles dermed direkte til fotonenergien.
Hvad forsøget fastslog
Emission kan begynde næsten uden forsinkelse, når f > f₀, mens hverken ventetid eller høj intensitet kan redde en frekvens under tærsklen. Det passer ikke med det klassiske billede, hvor bølgeenergi gradvist ophobes i én elektron. Fotonmodellen forklarer tærsklen og energibalancen. Samtidig viser den samme elektromagnetiske stråling interferens og diffraktion: resultatet fjerner ikke bølgeadfærden.
Læs variablerne korrekt
Intensitet er effekt pr. areal og hænger ved fast frekvens sammen med fotonfluxen. Frekvensen bestemmer E = hf for hvert foton. Derfor kan en intens lavfrekvent stråle undlade helt at udsende elektroner, hvis hf < φ. Omvendt kan en svag højfrekvent stråle udsende få elektroner, men de kan have betydelig kinetisk energi.
Gennemregnede eksempler
1. Find tærskelbølgelængden
Løsning
For φ = 2,5 eV er λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.
2. Maksimal kinetisk energi
Løsning
Fotoner på 4,2 eV rammer en overflade med φ = 2,0 eV. Kmax = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.
3. Stopspænding
Løsning
Hvis Kmax = 1,6 eV, stoppes en elektron af cirka 1,6 V, fordi eVₛ = Kmax.