Fotoelektromos hatás

A fotoelektromos hatás akkor érthető a legegyszerűbben, ha a fényt energiacsomagokként kezeljük. Egy foton energiája E=hf, és egy elektron csak akkor léphet ki, ha egyetlen foton legalább a felület kilépési munkáját biztosítja.

Először a küszöb, utána az intenzitás

hf = φ + Kmax

hf=φ+Kmax. Az f₀=φ/h küszöbfrekvencia alatt az intenzitás növelése nem okoz elektronkilépést. A küszöb felett a nagyobb intenzitás főként a fotonok számát és az emisszió gyakoriságát növeli, míg a nagyobb frekvencia az egyes fotonok energiáját emeli.

A kilépési munka φ az adott felület tulajdonsága, nem egy kémiai elem minden felületére érvényes univerzális állandó. Szennyeződés, oxidréteg vagy eltérő kristálylap módosíthatja a küszöbfrekvenciát. A fékezőfeszültséget is pontosan kell értelmezni: ez a legnagyobb kinetikus energiát, Kmax-ot méri, nem az összes kilépő elektron átlagos energiáját. Rögzített, küszöb feletti frekvencián a nagyobb intenzitás rendszerint a fotoáramot növeli, mert időegységenként több foton érkezik, miközben Kmax frekvenciafüggésének meredeksége nem változik. A klasszikus hullámképpel szemben a kibocsátás küszöb felett gyakorlatilag azonnali, ami a fotononként átadott kvantált energia egyik fontos kísérleti jele.

foton hfelektronfém
Először a küszöb, utána az intenzitás

A fékezőfeszültség az elektron energiáját méri

eVₛ = Kmax

Ellenirányú feszültséggel a leggyorsabb fotoelektronok is megállíthatók. A fékezőfeszültségnél eVₛ=Kmax. Vₛ frekvenciafüggése a küszöb felett egyenes, ezért a grafikonból a küszöb és h/e is meghatározható.

Küszöbvizsgáló

fVₛküszöb f₀h/e
A fékezőfeszültség az elektron energiáját méri

Mit bizonyított a kísérlet

Az azonnali emisszió és a küszöbfrekvencia nem illik ahhoz a képhez, amelyben a hullámenergia lassan gyűlik össze egy elektronban. A fotonmodell mindkettőt magyarázza. A fény hullámtermészete ettől nem tűnik el: az interferencia és a diffrakció továbbra is alapvető.

A változók helyes értelmezése

A foton energiáját ne keverjük össze a nyaláb teljesítményével. Erős, kis frekvenciájú fény sok energiát szállíthat másodpercenként, miközben egyetlen foton sem éri el a küszöböt. Gyenge, nagy frekvenciájú fény kevés, de nagy energiájú elektront kelthet.

A kísérlet másik kulcsa, hogy a küszöb fölött az emisszió lényegében késedelem nélkül indul. Ha egy elektron folyamatos hullámból lassan gyűjtené az energiát, gyenge megvilágításnál mérhető várakozási időt várnánk. Ehelyett a gyengébb fény főként az események számát csökkenti, míg egy fotoelektron maximális energiáját a frekvencia és a kilépési munka határozza meg.

Kidolgozott példák

1. Küszöbhullámhossz

Megoldás. φ=2,5 eV esetén λ₀≈1240/2,5=496 nm.

2. Maximális mozgási energia

Megoldás. 4,2 eV-os foton és φ=2,0 eV esetén Kmax=2,2 eV.

3. Fékezőfeszültség

Megoldás. Kmax=1,6 eV esetén a fékezőfeszültség közel 1,6 V.