Fotoelektrisk effekt
Den fotoelektriske effekten blir tydelig når lys behandles som energipakker. Hvert foton har energi E = hf, og ett elektron kan bare forlate en overflate dersom ett foton leverer minst materialets arbeidsfunksjon.
Terskel først, intensitet etterpå
Einsteins energibalanse er hf = φ + Kmax. Hvis hf < φ, frigjøres ingen elektroner uansett hvor høy lysintensiteten er. Over terskelen bestemmer overskuddet den maksimale kinetiske energien.
Økt intensitet ved fast frekvens over terskelen betyr flere fotoner per sekund og kan dermed gi flere frigjorte elektroner, men endrer ikke Kmax for hvert elektron i den enkle modellen.
Utforsk terskelen
Stoppespenning måler elektronenergien
En motspenning kan bremse de raskeste fotoelektronene. Når strømmen akkurat stoppes, gjelder eVₛ = Kmax. Stoppespenningen gir derfor et direkte mål på maksimal kinetisk energi.
Målingen skiller tydelig mellom fotonets energi og antallet fotoner: frekvens flytter stoppespenningen, mens intensitet først og fremst påvirker hvor mange elektroner som kommer ut.
Hva forsøket viste
En lineær sammenheng mellom Kmax og frekvens, en materialavhengig terskel og den raske emisjonen passer naturlig med fotonmodellen. Plancks konstant h bestemmer helningen i et Kmax-mot-f-diagram.
Arbeidsfunksjonen φ er en overflateegenskap og kan påvirkes av materiale og overflatetilstand. Den er ikke en universell konstant.
Les variablene riktig
Frekvens f og bølgelengde λ henger sammen gjennom c=fλ. Kortere bølgelengde betyr høyere fotonenergi. Intensitet må ikke forveksles med frekvens: et sterkt rødt lys kan fortsatt ligge under terskelen, mens svakere ultrafiolett lys kan gi emisjon.
I virkelige materialer finnes energifordelinger, overflatetilstander og tap, men terskelideen og energibevaringen gir den sentrale fysikken.
Løste eksempler
1. Terskelbølgelengde
Et metall har φ=2,5 eV. Finn omtrentlig terskelbølgelengde.
Løsning
λ₀ = hc/φ ≈ 1240 eV·nm / 2,5 eV ≈ 496 nm.
2. Maksimal kinetisk energi
Et foton har 4,2 eV og arbeidsfunksjonen er 2,0 eV.
Løsning
Kmax = 4,2−2,0 = 2,2 eV.
3. Stoppespenning
Kmax=1,6 eV. Finn Vₛ.
Løsning
Siden eVₛ=Kmax, blir stoppespenningen 1,6 V.
Den fotoelektriske effekten handler om energi per foton, ikke om at en hel lysbølge gradvis samler energi i ett elektron. Dette er grunnen til at terskelfrekvensen er så viktig. Når data tolkes, bør man skille mellom tre nivåer: fotonenergi hf, energikostnaden φ for å forlate materialet og den resterende kinetiske energien til elektronet.