Fotoelektrični efekt
Fotoelektrični efekt najlakše se razumije ako svjetlost opisujemo paketima energije. Svaki foton nosi energiju E = hf. Elektron može napustiti površinu samo ako jedan foton preda barem energiju jednaku izlaznom radu materijala.
Najprije prag, zatim intenzitet
Einsteinova jednadžba glasi hf = φ + Kmax. φ je izlazni rad, a Kmax najveća kinetička energija emitiranih elektrona. Ispod granične frekvencije f₀ = φ/h povećanje intenziteta ne izbacuje elektrone.
Iznad praga veći intenzitet ponajprije znači više fotona koji stižu u sekundi, pa obično raste broj emitiranih elektrona. Povećanje frekvencije povećava energiju svakog fotona i energiju dostupnu pojedinom fotoelektronu.
Zaustavni napon mjeri energiju elektrona
Napon suprotnog smjera može zaustaviti čak i najbrže fotoelektrone. Pri zaustavnom naponu Vₛ vrijedi eVₛ = Kmax. Graf Vₛ o frekvenciji je pravac, a njegov presjek s frekvencijskom osi određuje prag.
Na grafu zaustavnog napona Vₛ o frekvenciji presjek pravca s frekvencijskom osi određuje f₀. Ispod tog praga nema emisije. Iznad praga najveća kinetička energija elektrona, pa time i Vₛ, raste linearno s frekvencijom; nagib pravca povezan je s omjerom h/e.
Provjeri uvjet emisije
Što je pokus pokazao
Trenutačna emisija i postojanje oštre granične frekvencije ne mogu se objasniti jednostavnim kontinuiranim raspodjeljivanjem energije vala po površini. Fotonski model objašnjava oba opažanja bez vremena potrebnog za „skupljanje” energije.
To ne znači da svjetlost prestaje pokazivati valna svojstva: interferencija i difrakcija i dalje su ključni dokazi valnog ponašanja.
Ne miješaj energiju fotona i snagu snopa
Jak snop preniske frekvencije može dovoditi mnogo energije u sekundi, ali svaki foton i dalje ostaje ispod praga. Slab snop visoke frekvencije može izbaciti malo elektrona, no oni mogu imati veliku kinetičku energiju.
U pokusu treba odvojiti dvije neovisne postavke. Za isti materijal i frekvenciju iznad f₀ veći intenzitet ponajprije znači više fotona u sekundi i može povećati fotostruju. Promjena frekvencije, naprotiv, mijenja energiju svakog fotona i zato pomiče najveću energiju fotoelektrona.
Riješeni primjeri
1. Granična valna duljina
Za izlazni rad φ = 2,5 eV odredi λ₀.
Rješenje
λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.
2. Najveća kinetička energija
Fotoni energije 4,2 eV padaju na materijal izlaznog rada 2,0 eV.
Rješenje
Kmax = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.
3. Zaustavni napon
Ako je Kmax = 1,6 eV, koji napon zaustavlja najbrže elektrone?
Rješenje
Budući da vrijedi eVₛ = Kmax, potrebno je približno 1,6 V.