Fotoelektriska effekten
Den fotoelektriska effekten visar att ljus överför energi i paket: varje foton har E = hf. En elektron kan bara lämna en yta om en enda foton ger tillräcklig energi för att övervinna materialets utträdesarbete.
Först tröskeln, sedan intensiteten
hf = φ + Kmax
f₀ = φ/h
Energibalansen är hf = φ + Kmax. Tröskelfrekvensen f₀ = φ/h skiljer två regimer: under den sker ingen fotoemission oavsett hur mycket intensiteten ökas; över den ökar den maximala kinetiska energin med frekvensen. Högre intensitet vid samma frekvens betyder främst fler fotoner och därmed fler emitterade elektroner, inte mer energi per elektron.
Tröskelutforskare
Stoppotentialen mäter fotoelektronernas energi
En motriktad spänning kan bromsa de emitterade elektronerna. När inte ens de mest energirika elektronerna når kollektorn gäller eVₛ = Kmax. Därför är en graf av Vₛ mot f linjär: lutningen är h/e och extrapolationen till Vₛ = 0 ger tröskelfrekvensen. En elektrisk mätning kopplas därmed direkt till fotonenergin.
Vad experimentet visade
Emission kan börja nästan utan fördröjning när f > f₀, medan varken väntetid eller hög intensitet kan rädda en frekvens under tröskeln. Det stämmer inte med den klassiska bilden där vågenergi gradvis samlas i en elektron. Fotonmodellen förklarar tröskeln och energibalansen. Samtidigt visar samma elektromagnetiska strålning interferens och diffraktion: resultatet tar inte bort vågbeteendet.
Läs variablerna rätt
Intensitet är effekt per area och hänger vid fast frekvens samman med fotonflödet. Frekvensen bestämmer E = hf för varje foton. Därför kan en intensiv lågfrekvent stråle helt sakna emission om hf < φ. Omvänt kan en svag högfrekvent stråle emittera få elektroner, men de kan ha betydande kinetisk energi.
Genomräknade exempel
1. Bestäm tröskelvåglängden
Lösning
För φ = 2,5 eV är λ₀ = hc/φ ≈ 1240/2,5 = 496 nm.
2. Maximal kinetisk energi
Lösning
Fotoner på 4,2 eV träffar en yta med φ = 2,0 eV. Kmax = 4,2 − 2,0 = 2,2 eV.
3. Stoppotential
Lösning
Om Kmax = 1,6 eV stoppas en elektron av ungefär 1,6 V, eftersom eVₛ = Kmax.