Fotoelektrinis efektas

Fotoelektrinį efektą lengviausia suprasti šviesą laikant energijos kvantais. Kiekvieno fotono energija E=hf, o elektronas gali palikti paviršių tik tada, kai vienas fotonas suteikia bent medžiagos išlaisvinimo darbą.

Pirmiausia slenkstis, po to intensyvumas

hf = φ + Kmax

hf=φ+Kmax. Žemiau f₀=φ/h slenkstinio dažnio didesnis intensyvumas elektronų neišmuša. Virš slenksčio intensyvumas daugiausia didina fotonų skaičių ir emisijos spartą, o didesnis dažnis didina kiekvieno fotono ir išmušto elektrono energiją.

Išlaisvinimo darbas φ yra konkretaus paviršiaus savybė, o ne universali visų to cheminio elemento paviršių konstanta. Užterštumas, oksido sluoksnis ar kita kristalografinė plokštuma gali pakeisti slenkstinį dažnį. Stabdymo įtampą taip pat reikia aiškinti tiksliai: ji nustato didžiausią kinetinę energiją Kmax, o ne visų išlėkusių elektronų vidutinę energiją. Esant pastoviam dažniui virš slenksčio, didesnis intensyvumas paprastai didina fotosrovę, nes per laiko vienetą atkeliauja daugiau fotonų, tačiau Kmax priklausomybės nuo dažnio dėsnis dėl to nesikeičia.

fotonas hfelektronasmetalas
Pirmiausia slenkstis, po to intensyvumas

Stabdymo potencialas matuoja elektrono energiją

eVₛ = Kmax

Atbulinė įtampa gali sustabdyti net greičiausius fotoelektronus. Esant stabdymo potencialui Vₛ, eVₛ=Kmax. Vₛ priklausomybė nuo dažnio virš slenksčio yra tiesinė ir leidžia nustatyti slenkstį bei h/e.

Slenksčio tyrimas

fVₛslenkstis f₀h/e
Stabdymo potencialas matuoja elektrono energiją

Ką parodė eksperimentas

Momentinė emisija ir slenkstinis dažnis nesuderinami su paprasta idėja, kad tolydi bangos energija lėtai kaupiasi elektrone. Fotonų modelis paaiškina abu reiškinius, tačiau tai nepanaikina šviesos banginių savybių, kurias rodo interferencija ir difrakcija.

Kaip teisingai skaityti dydžius

Nepainiokite fotono energijos su pluošto galia. Ryškus žemo dažnio pluoštas gali perduoti daug energijos per sekundę, nors nė vienas fotonas neperžengia slenksčio. Silpnas aukšto dažnio pluoštas gali išmušti mažai, bet energingų elektronų.

Svarbus eksperimentinis faktas yra ir tai, kad virš slenksčio emisija prasideda praktiškai be pastebimo delsimo. Jei elektronas turėtų pamažu kaupti tolydžios bangos energiją, silpnas apšvietimas sukeltų išmatuojamą laukimo laiką. Vietoje to silpnesnis pluoštas daugiausia sumažina įvykių skaičių, o didžiausią elektrono energiją lemia dažnis ir išlaisvinimo darbas.

Išspręsti pavyzdžiai

1. Slenkstinis bangos ilgis

Sprendimas. φ=2,5 eV: λ₀≈1240/2,5=496 nm.

2. Didžiausia kinetinė energija

Sprendimas. 4,2 eV fotonas ir φ=2,0 eV: Kmax=2,2 eV.

3. Stabdymo potencialas

Sprendimas. Kmax=1,6 eV atitinka maždaug 1,6 V stabdymo potencialą.