Valosähköinen ilmiö

Valosähköinen ilmiö ymmärretään luontevasti fotonimallilla. Yhden fotonin energia on E=hf, ja elektroni voi irrota pinnasta vain, jos yhden fotonin energia on vähintään aineen työfunktion suuruinen.

Ensin kynnys, sitten intensiteetti

Energiatase on hf=φ+Kmax. Jos hf<φ, elektroneja ei irtoa, vaikka valon intensiteettiä kasvatetaan. Kynnyksen yläpuolella ylimääräinen energia muuttuu fotoelektronin liike-energiaksi.

Intensiteetin kasvattaminen samalla kynnyksen ylittävällä taajuudella lisää fotonien ja yleensä irtoavien elektronien määrää, mutta ei kasvata yhden elektronin Kmax-arvoa.

Kynnystutkija

Ensin kynnys, sitten intensiteettihfφKmaxhf = φ + Kmax
Ensin kynnys, sitten intensiteetti — Energiatase on hf=φ+Kmax . Jos hf<φ, elektroneja ei irtoa, vaikka valon intensiteettiä kasvatetaan. Kynnyksen yläpuolella ylimääräinen energia muuttuu fotoelektronin liike-energiaksi.

Pysäytysjännite mittaa elektronien energiaa

Vastakkainen jännite voi hidastaa fotoelektroneja. Kun nopeimmatkin juuri pysähtyvät, eVₛ=Kmax.

Näin pysäytysjännite erottaa fotonien energian niiden lukumäärästä: taajuus muuttaa Vₛ:ää, kun taas intensiteetti vaikuttaa ennen kaikkea virran suuruuteen.

Mitä koe osoitti

Kmax kasvaa lineaarisesti taajuuden kanssa ja leikkaa nollan ainekohtaisella kynnystaajuudella. Suoran kulmakerroin liittyy Planckin vakioon h.

Työfunktio riippuu materiaalista ja pinnan tilasta. Se ei ole universaali vakio, joten eri metalleilla on eri kynnystaajuudet.

Mitä koe osoittimuuttujavasteeVₛ = Kmaxfysikaalinen yhteys
Mitä koe osoitti — Kmax kasvaa lineaarisesti taajuuden kanssa ja leikkaa nollan ainekohtaisella kynnystaajuudella. Suoran kulmakerroin liittyy Planckin vakioon h.

Muuttujat on erotettava toisistaan

f ja λ liittyvät toisiinsa kaavalla c=fλ. Lyhyempi aallonpituus merkitsee suurempaa fotonienergiaa, mutta suuri intensiteetti ei tarkoita suurta fotonienergiaa.

Voimakas punainen valo voi olla kynnyksen alapuolella, kun taas heikko ultraviolettivalo voi irrottaa elektroneja. Tämä ero on koko ilmiön keskeinen havainto.

Ratkaistuja esimerkkejä

1. Kynnysaallonpituus

φ=2,5 eV.

Ratkaisu

λ₀≈1240/2,5=496 nm.

2. Liike-energia

hf=4,2 eV ja φ=2,0 eV.

Ratkaisu

Kmax=2,2 eV.

3. Pysäytysjännite

Kmax=1,6 eV.

Ratkaisu

Vₛ=1,6 V.

Reaalisissa pinnoissa työfunktioon vaikuttavat epäpuhtaudet, kiderakenne ja pintakerrokset, ja emittoitujen elektronien energioissa on jakauma. Silti kynnys, yhtälö hf=φ+Kmax ja pysäytysjännite muodostavat selkeän energiamallin, joka erottaa taajuuden vaikutuksen intensiteetin vaikutuksesta.

Kokeellinen havainto ja ideaalinen malli on erotettava toisistaan. Taajuus, aallonpituus, lämpötila, pinnan tila ja mittalaitteen vaste voivat kaikki vaikuttaa havaittuun signaaliin, kun taas perusenergiayhtälöt kertovat, mikä on mahdollista. Erityisen tärkeää on erottaa yhden fotonin energia fotonien lukumäärästä: suuri intensiteetti ei itsessään kasvata hf-arvoa. Samoin spektrin huippu ei ole koko spektri eikä kynnys tarkoita, että kaikki mikroskooppiset tapahtumat olisivat samanlaisia. Kvantitatiivisessa työssä yksiköt tarkistetaan ennen sijoitusta ja eV:n, joulen, taajuuden ja aallonpituuden väliset muunnokset tehdään johdonmukaisesti. Lopputulos voidaan sitten testata fysikaalisella rajalla: ei emissioita kynnyksen alla, lyhyempi huippuaallonpituus kuumemmalle kappaleelle ja energian säilyminen yksittäisessä fotoniprosessissa.