Fotoelektriskais efekts

Fotoelektrisko efektu visvieglāk saprast, ja gaismu aplūko kā enerģijas kvantus. Katram fotonam ir enerģija E=hf, un elektrons var izkļūt no virsmas tikai tad, ja viens fotons piegādā vismaz materiāla izejas darbu.

Vispirms slieksnis, pēc tam intensitāte

hf = φ + Kmax

hf=φ+Kmax. Zem sliekšņa frekvences f₀=φ/h intensitātes palielināšana elektronus neizraisa. Virs sliekšņa lielāka intensitāte galvenokārt palielina fotonu skaitu un emisijas ātrumu, bet lielāka frekvence palielina katra fotona enerģiju.

Izejas darbs φ ir konkrētās virsmas īpašība, nevis universāla konstante visām attiecīgā ķīmiskā elementa virsmām. Piesārņojums, oksīda kārta vai cita kristalogrāfiskā plakne var mainīt sliekšņa frekvenci. Arī bremzējošais spriegums jāinterpretē precīzi: tas nosaka maksimālo kinētisko enerģiju Kmax, nevis visu izstaroto elektronu vidējo enerģiju. Pie nemainīgas frekvences virs sliekšņa lielāka intensitāte parasti palielina fotostrāvu, jo laika vienībā pienāk vairāk fotonu, taču Kmax atkarības no frekvences likums tāpēc nemainās.

fotons hfelektronsmetāls
Vispirms slieksnis, pēc tam intensitāte

Bremzējošais potenciāls mēra elektrona enerģiju

eVₛ = Kmax

Pretējs spriegums var apturēt pat visātrākos fotoelektronus. Pie bremzējošā potenciāla Vₛ ir eVₛ=Kmax. Vₛ grafiks pret frekvenci virs sliekšņa ir lineārs un ļauj noteikt slieksni un h/e.

Sliekšņa pētnieks

fVₛslieksnis f₀h/e
Bremzējošais potenciāls mēra elektrona enerģiju

Ko pierādīja eksperiments

Tūlītēja emisija un sliekšņa frekvence neatbilst vienkāršai idejai par nepārtrauktas viļņa enerģijas lēnu uzkrāšanos elektronā. Fotonu modelis izskaidro abus, taču gaismas viļņu īpašības saglabājas interferencē un difrakcijā.

Pareiza lielumu interpretācija

Nejauciet fotona enerģiju ar staru kūļa jaudu. Spilgts zemas frekvences kūlis var pārnest daudz enerģijas sekundē, bet katrs fotons var palikt zem sliekšņa. Vājš augstas frekvences kūlis var izsist mazāk, taču enerģiskākus elektronus.

Svarīgs eksperimentāls fakts ir arī tas, ka virs sliekšņa emisija sākas praktiski bez izmērāmas aiztures. Ja elektronam būtu lēni jāuzkrāj nepārtraukta viļņa enerģija, vājā gaismā būtu sagaidāms gaidīšanas laiks. Tā vietā vājāks kūlis galvenokārt samazina notikumu skaitu, bet fotoelektrona maksimālo enerģiju nosaka frekvence un izejas darbs.

Atrisināti piemēri

1. Sliekšņa viļņa garums

Risinājums. φ=2,5 eV: λ₀≈496 nm.

2. Maksimālā kinētiskā enerģija

Risinājums. 4,2 eV fotons un φ=2,0 eV dod Kmax=2,2 eV.

3. Bremzējošais potenciāls

Risinājums. Kmax=1,6 eV atbilst apmēram 1,6 V.

Pamata modelī viens fotons mijiedarbojas ar vienu elektronu. Tāpēc frekvence nosaka enerģiju, ko var saņemt viens elektrons, bet intensitāte pie nemainīgas frekvences galvenokārt maina fotonu skaitu sekundē. Šī atšķirība ļauj paredzēt, kurš eksperimentālais lielums mainīs elektronu skaitu un kurš — to maksimālo kinētisko enerģiju.