Foto-elektrisch effect

Het foto-elektrisch effect laat zien dat licht energie in pakketjes overdraagt: elk foton draagt E = hf. Een elektron kan alleen uit een oppervlak ontsnappen als één foton genoeg energie levert om de uittree-arbeid van het materiaal te overwinnen.

Eerst de drempel, daarna de intensiteit

hf = φ + Kmax

f₀ = φ/h

De energiebalans is hf = φ + Kmax. De drempelfrequentie f₀ = φ/h scheidt twee regimes: eronder treedt geen foto-emissie op, hoe groot de intensiteit ook wordt; erboven neemt de maximale kinetische energie toe met de frequentie. Meer intensiteit bij dezelfde frequentie betekent vooral meer fotonen en dus meer uitgestoten elektronen, niet meer energie per elektron.

uittree-arbeid φfotonenergie hfKmaxhf < φ → geen emissie
Eerst de drempel, daarna de intensiteit. De energiebalans is hf = φ + Kmax. De drempelfrequentie f₀ = φ/h scheidt twee regimes: eronder treedt geen foto-emissie op, hoe groot de intensiteit ook wordt; erboven neemt de maximale kinetische energie toe met de frequentie. Meer intensiteit bij dezelfde frequentie betekent vooral meer fotonen en dus meer uitgestoten elektronen, niet meer energie per elektron.

Drempelverkenner

Stopspanning meet de energie van foto-elektronen

Een tegengestelde spanning kan de uitgestoten elektronen afremmen. Wanneer zelfs de energierijkste elektronen de collector niet meer bereiken, geldt eVₛ = Kmax. Daarom is een grafiek van Vₛ tegen f lineair: de helling is h/e en de extrapolatie naar Vₛ = 0 geeft de drempelfrequentie. Zo koppelt een elektrische meting rechtstreeks aan de fotonenergie.

fVₛf₀helling h/e
Stopspanning meet de energie van foto-elektronen. Een tegengestelde spanning kan de uitgestoten elektronen afremmen. Wanneer zelfs de energierijkste elektronen de collector niet meer bereiken, geldt eVₛ = Kmax. Daarom is een grafiek van Vₛ tegen f lineair: de helling is h/e en de extrapolatie naar Vₛ = 0 geeft de drempelfrequentie. Zo koppelt een elektrische meting rechtstreeks aan de fotonenergie.

Wat het experiment aantoonde

Emissie kan vrijwel zonder vertraging beginnen wanneer f > f₀, terwijl wachten of een hoge intensiteit een frequentie onder de drempel niet kan redden. Dat past niet bij het klassieke beeld waarin golfenergie zich geleidelijk in één elektron ophoopt. Het fotonmodel verklaart de drempel en de energiebalans. Tegelijk vertoont dezelfde elektromagnetische straling interferentie en diffractie: het resultaat schaft het golfgedrag niet af.

De variabelen correct lezen

Intensiteit is vermogen per oppervlak en hangt bij vaste frequentie samen met de fotonflux. De frequentie bepaalt E = hf van elk foton. Een intense bundel met lage frequentie kan dus helemaal geen elektronen uitstoten als hf < φ. Omgekeerd kan een zwakke bundel met hoge frequentie weinig elektronen uitstoten, maar die kunnen wel een aanzienlijke kinetische energie hebben.

Uitgewerkte voorbeelden

1. De drempelgolflengte vinden

Oplossing

Voor φ = 2,5 eV is λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.

2. Maximale kinetische energie

Oplossing

Fotonen van 4,2 eV vallen op een oppervlak met φ = 2,0 eV. Kmax = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.

3. Stopspanning

Oplossing

Als Kmax = 1,6 eV, wordt een elektron gestopt door ongeveer 1,6 V, omdat eVₛ = Kmax.