Mini-kurzus
Fotoeffektus
Fotoeffektusban megfelelő frekvenciájú fény elektronokat léptethet ki egy anyag felületéről. Einstein fotonmodelljében egy foton energiája E=hν, és a maximális elektronkinetikai energia Kmax=hν−φ, ahol φ a kilépési munka.
Küszöbfrekvencia
Ha hν<φ, a legegyszerűbb egyfotonos modellben nincs fotoelektron-kilépés, akármilyen hosszú ideig világítjuk meg a felületet gyenge klasszikus körülmények között. A küszöbfrekvencia ν₀=φ/h. Ez volt az egyik jelenség, amelyet a klasszikus hullámkép önmagában nehezen magyarázott.
Intenzitás és frekvencia eltérő szerepe
Küszöb fölött nagyobb fényintenzitás több fotont jelenthet időegységenként, ezért több elektron léphet ki és nagyobb fotoáram mérhető. A maximális elektronenergia azonban elsősorban a foton frekvenciájával nő. Nagyobb intenzitás azonos ν mellett nem emeli automatikusan Kmax-ot az egyszerű egyfotonos tartományban.
Fékezőfeszültség
Ha az elektronokat ellentétes elektromos térrel lassítjuk, a legnagyobb kinetikus energiájú elektronokat is megállító Vs feszültségre eVs=Kmax. Így a fékezőfeszültség frekvenciafüggéséből h és a kilépési munka kísérletileg meghatározható.
Miért van energiamegoszlás?
Valós szilárd anyagban az elektronok különböző kezdeti állapotokból és mélységekből származhatnak, ütközhetnek kijutás közben, ezért nem minden fotoelektron azonos energiájú. Az Einstein-egyenlet Kmax felső határt ír le a legegyszerűbb modellben, nem azt, hogy minden elektron pontosan ezt az energiát kapja.
Hullám-részecske kettősség
A fotoeffektus a fény kvantált energiaátadását mutatja, de nem teszi „hamissá” a hullámtulajdonságokat. Interferencia és diffrakció továbbra is hullámjellegű mintázatot mutat. A kvantumelméletben ugyanaz az elektromágneses mező olyan jelenségeket ad, amelyek klasszikus részecske- vagy hullámképpel külön-külön nem írhatók le teljesen.
Belső fotoeffektus
Félvezetőben a foton nem feltétlenül lök ki elektront az anyagból; elektron–lyuk párt is létrehozhat, növelve a vezetőképességet vagy feszültséget generálva. Fényérzékelők és napelemek működésének megértéséhez ezért a sávszerkezet és belső fotoelektromos folyamatok is fontosak.
Alkalmazások
Fotokatódok, fotodiódák, képérzékelők és fotoelektron-spektroszkópiai módszerek mind a fény és elektronok kvantált kölcsönhatását használják. Fotoelektron-spektroszkópiában a kilépő elektron energiájából az anyag kötési energiáira következtethetünk.
Próbáld ki
Egy fém kilépési munkája 2,0 eV, a beeső foton energiája 3,5 eV. Mekkora lehet a maximális elektronkinetikai energia?
Megoldás
Kmax=3,5−2,0=1,5 eV. A valós elektronok egy része ennél kisebb energiával is távozhat.