Фотоефект
Фотоефект показує квантований обмін енергією між світлом і електронами. Електрон може вийти з поверхні, якщо енергія фотона hν перевищує роботу виходу Φ. Велика інтенсивність нижче порогової частоти не замінює недостатню енергію одного фотона.
Поріг
У простій моделі hν<Φ не дає фотоемісії незалежно від інтенсивності. При hν>Φ надлишок може стати кінетичною енергією електрона. Порогова частота ν₀=Φ/h залежить від матеріалу й стану поверхні.
Рівняння Ейнштейна
Максимальна кінетична енергія K_max=hν−Φ. Потенціал затримки V_s задається eV_s=K_max. Графік V_s проти ν має нахил h/e і дозволяє експериментально визначити сталу Планка.
Інтенсивність
Вища інтенсивність при незмінній ν вище порога означає більше фотонів за секунду, тому струм фотоелектронів може зрости. Але K_max не збільшується лише через більшу інтенсивність.
Класична проблема
Класична хвиля могла б припускати поступове накопичення енергії електроном, особливо при інтенсивному низькочастотному світлі. Експеримент показує поріг частоти та дуже швидку емісію, що природно пояснюється фотонами.
Реальна поверхня
Робота виходу залежить від кристалічної грані, забруднення та адсорбованих атомів. У твердому тілі електрони мають зонну структуру, тому фотоелектронна спектроскопія містить більше інформації, ніж елементарна схема “один електрон — один бар’єр”.
Спектроскопія
Якщо енергія фотона відома, вимір K дозволяє знаходити енергії зв’язку електронів. XPS і UPS аналізують елементний склад, хімічні стани й електронну структуру поверхні.
Хвиля і квант
Фотоефект не скасовує інтерференцію та дифракцію. Квантова електродинаміка описує поле так, що воно має хвильову структуру поширення і квантований обмін енергією. “Хвиля або частинка” є надто грубим класичним вибором.
Квантова ефективність
Не кожен поглинутий фотон обов’язково дає зареєстрований фотоелектрон. Електрон може втратити енергію до виходу, а фотон може поглинутися занадто глибоко або в іншому каналі. Квантова ефективність тому залежить від матеріалу, довжини хвилі, поверхні й геометрії детектора.
Часова шкала
Фотоемісія відбувається на дуже коротких часових масштабах після поглинання фотона. Сучасні фемто- та аттосекундні експерименти досліджують детальну динаміку електронів, показуючи, що елементарна формула енергії є лише енергетичним балансом і не описує всю часову еволюцію.
Контроль одиниць у задачах
У фотоелектричному ефекті зручно працювати в електронвольтах, якщо робота виходу та енергія фотона задані в еВ. Якщо ж частота подана в герцах, треба послідовно використовувати h у відповідних одиницях. Такий контроль одиниць допомагає уникнути помилок, коли формула правильна, але числовий результат несумісний із фізичним масштабом задачі.
Вправа
Робота виходу 2,4 еВ, фотон має 3,1 еВ. Яка K_max?
Розв’язання
K_max=3,1−2,4=0,7 еВ. Збільшення інтенсивності за тієї самої частоти може збільшити число електронів, але не цей максимум.