Фотоелектрични ефекат
Фотоелектрични ефекат природно се описује фотонима. Један фотон носи енергију E=hf, а електрон може да напусти површину само ако енергија тог фотона достигне бар излазни рад материјала.
Најпре праг, тек онда интензитет
Енергетски биланс је hf=φ+Kmax. Ако је hf<φ, повећање интензитета неће избацити електроне. Изнад прага вишак енергије постаје максимална кинетичка енергија фотоелектрона.
Већи интензитет при истој фреквенцији изнад прага повећава број фотона и обично струју, али не повећава Kmax сваког електрона.
Истраживач прага
Зауставни напон мери максималну кинетичку енергију
Супротан напон успорава емитоване електроне. Када се зауставе и најбржи, важи eVₛ=Kmax.
Зато фреквенција мења зауставни напон, док интензитет пре свега мења број емитованих електрона.
Експеримент даје линеарну зависност од фреквенције
Kmax расте линеарно са f и постаје нула на материјалном прагу. Нагиб је повезан са Планковом константом h.
Излазни рад зависи од материјала и стања површине, па различити метали имају различите граничне фреквенције.
Фреквенција и интензитет нису исто
Веза c=fλ показује да краћа таласна дужина значи већу енергију по фотону. Велики интензитет, међутим, не значи већу енергију сваког фотона.
Јако црвено светло може бити испод прага, док слабо ултраљубичасто светло може да изазове емисију. Управо та разлика је суштина ефекта.
Решени примери
1. Гранична таласна дужина
φ=2,5 eV.
Решење
λ₀≈496 nm.
2. Кинетичка енергија
hf=4,2 eV, φ=2,0 eV.
Решење
Kmax=2,2 eV.
3. Зауставни напон
Kmax=1,6 eV.
Решење
Vₛ=1,6 V.
На реалној површини нечистоће, кристална структура и површински слојеви могу да помере излазни рад, а емитовани електрони могу имати расподелу енергија. Ипак, праг, једначина hf=φ+Kmax и зауставни напон задржавају главни енергетски биланс и јасно раздвајају улогу фреквенције од улоге интензитета.
Експериментални сигнал треба раздвојити од идеализованог модела. Фреквенција, таласна дужина, температура, стање површине и одзив детектора могу да промене оно што се мери, док основне енергетске релације одређују шта је физички могуће. Посебно је важно разликовати енергију једног фотона од броја фотона: велики интензитет не значи аутоматски веће hf. И спектрални максимум није цео спектар, нити праг значи да ће сваки микроскопски догађај бити исти. У бројчаном раду јединице треба проверити пре уврштавања и доследно прелазити између eV, џула, фреквенције и таласне дужине. Резултат се затим проверава физичким границама: нема емисије испод прага, максимум иде ка краћим таласним дужинама са растом температуре и енергија се чува у појединачном фотонском процесу.