Efect fotoelectric

Efectul fotoelectric este cel mai ușor de înțeles dacă lumina este tratată ca pachete de energie. Fiecare foton are energia E=hf, iar un electron poate părăsi suprafața numai dacă un singur foton furnizează cel puțin lucrul de extracție al materialului.

Mai întâi pragul, apoi intensitatea

hf = φ + Kmax

hf=φ+Kmax. Sub frecvența de prag f₀=φ/h, creșterea intensității nu emite electroni. Deasupra pragului, intensitatea mărește în principal numărul de fotoni și rata de emisie, în timp ce frecvența mai mare mărește energia fiecărui foton.

Funcția de lucru φ este o proprietate a suprafeței concrete, nu o constantă universală pentru toate suprafețele aceluiași element chimic. Contaminarea, oxidarea sau o altă față cristalină pot modifica frecvența de prag. Potențialul de oprire trebuie și el interpretat precis: el determină energia cinetică maximă Kmax, nu energia medie a tuturor electronilor emiși. La o frecvență fixă peste prag, creșterea intensității mărește de obicei fotocurentul deoarece sosesc mai mulți fotoni pe unitatea de timp, dar nu schimbă legea liniară care leagă Kmax de frecvență.

foton hfelectronmetal
Mai întâi pragul, apoi intensitatea

Potențialul de oprire măsoară energia electronului

eVₛ = Kmax

O tensiune inversă poate opri chiar și cei mai rapizi fotoelectroni. La potențialul de oprire Vₛ, eVₛ=Kmax. Graficul Vₛ în funcție de frecvență este liniar deasupra pragului și permite determinarea pragului și a raportului h/e.

Exploratorul pragului

fVₛprag f₀h/e
Potențialul de oprire măsoară energia electronului

Ce a stabilit experimentul

Emisia imediată și existența unei frecvențe de prag nu sunt explicate de ideea simplă că energia unei unde continue se acumulează lent pe electron. Modelul fotonic explică ambele observații, fără a elimina comportamentul ondulatoriu evidențiat de interferență și difracție.

Interpretarea corectă a variabilelor

Nu confundați energia unui foton cu puterea fasciculului. Un fascicul intens de frecvență mică poate transporta multă energie pe secundă, dar fiecare foton să fie sub prag. Un fascicul slab de frecvență mare poate emite puțini electroni, dar foarte energetici.

Un alt rezultat experimental esențial este lipsa unei întârzieri observabile a emisiei atunci când frecvența este peste prag. Dacă electronul ar acumula lent energie dintr-o undă continuă, lumina slabă ar trebui să producă un timp de așteptare măsurabil. În schimb, un fascicul mai slab reduce în principal numărul evenimentelor, în timp ce energia maximă a fotoelectronului este fixată de frecvență și lucrul de extracție.

Exemple rezolvate

1. Lungimea de undă de prag

Soluție. Pentru φ=2,5 eV: λ₀≈496 nm.

2. Energia cinetică maximă

Soluție. Fotoni de 4,2 eV și φ=2,0 eV dau Kmax=2,2 eV.

3. Potențial de oprire

Soluție. Kmax=1,6 eV corespunde unui potențial de oprire de aproximativ 1,6 V.