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.
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.
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.