Fotoelektrični pojav

Fotoelektrični pojav najlaže razumemo, če svetlobo opišemo kot kvante energije. Vsak foton nosi energijo E = hf. Elektron lahko zapusti površino le, če en foton dovede vsaj toliko energije, kot znaša izstopno delo snovi.

Najprej prag, nato intenziteta

Einsteinova enačba je hf = φ + Kmax. φ je izstopno delo, Kmax pa največja kinetična energija izbitih elektronov. Pod mejno frekvenco f₀ = φ/h povečanje intenzitete ne povzroči emisije.

Nad pragom večja intenziteta predvsem pomeni več fotonov na sekundo, zato navadno naraste število izbitih elektronov. Višja frekvenca pa poveča energijo vsakega fotona in energijo, ki je na voljo posameznemu fotoelektronu.

površinafotonelektron

Zaporna napetost meri energijo elektronov

Z napetostjo, usmerjeno proti gibanju fotoelektronov, lahko ustavimo tudi najhitrejše. Pri zaporni napetosti Vₛ velja eVₛ = Kmax. Graf Vₛ v odvisnosti od frekvence je premica, njen presek s frekvenčno osjo pa določa prag.

Na grafu zaporne napetosti Vₛ v odvisnosti od frekvence presek premice s frekvenčno osjo določa f₀. Pod tem pragom emisije ni. Nad pragom največja kinetična energija elektronov, zato pa tudi Vₛ, narašča linearno s frekvenco; naklon premice je povezan z razmerjem h/e.

Preveri pogoj za emisijo

3,0 eV
2,3 eV

Kaj je pokazal poskus

Takojšnje izbijanje elektronov in obstoj ostre mejne frekvence nista posledica preprostega zveznega razmazovanja energije vala po površini. Fotonski model pojasni oboje brez čakanja, da bi se energija »nabrala«.

To ne pomeni, da svetloba preneha kazati valovne lastnosti: interferenca in uklon ostajata ključna dokaza valovnega vedenja.

Ne zamenjuj energije fotona z močjo žarka

Močan žarek s prenizko frekvenco lahko vsako sekundo dovaja veliko energije, vendar je vsak foton še vedno pod pragom. Šibek žarek z visoko frekvenco lahko izbije malo elektronov, a imajo ti lahko veliko kinetično energijo.

V poskusu moramo ločiti dve neodvisni nastavitvi. Pri istem materialu in frekvenci nad f₀ večja intenziteta predvsem pomeni več fotonov na sekundo in lahko poveča fototok. Sprememba frekvence pa spremeni energijo vsakega fotona, zato premakne največjo energijo fotoelektronov.

Rešeni primeri

1. Mejna valovna dolžina

Za izstopno delo φ = 2,5 eV določi λ₀.

Rešitev

λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.

2. Največja kinetična energija

Fotoni z energijo 4,2 eV padejo na snov z izstopnim delom 2,0 eV.

Rešitev

Kmax = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.

3. Zaporna napetost

Če je Kmax = 1,6 eV, kolikšna napetost ustavi najhitrejše elektrone?

Rešitev

Ker velja eVₛ = Kmax, je potrebnih približno 1,6 V.