Дефиниција и објашњење фотоелектричног ефекта

Фотоелектрични ефекат настаје када материја емитује електроне након излагања електромагнетном зрачењу, попут фотона светлости. Ево ближег погледа о томе шта је фотоелектрични ефекат и како делује.

Фотоелектрични ефекат се делимично проучава јер може бити увод у дуалност таласних честица и квантна механика.

Када је површина изложена довољно енергичној електромагнетној енергији, светлост ће се апсорбирати и електрони ће се емитирати. Праг фреквенције је различит за различите материјале. То је видљива светлост за алкалне метале, скоро ултраљубичасто светло за остале метале и екстремно ултраљубичасто зрачење за неметале. Фотоелектрични ефекат се јавља код фотона који имају енергију од неколико електрона до преко 1 МеВ. При високим фотонским енергијама упоредивим са енергијом мировања електрона од 511 кеВ, може доћи до распршивања комтона, а производња парова може да се одвија при енергијама већим од 1,022 МеВ.

Ајнштајн је предложио да се светлост састоји од кванте, коју називамо фотони. Сугерисао је да је енергија у сваком кванту светлости једнака фреквенцији помноженој са константом (Планцкова константа) и да је фотон с фреквенцијом преко одређеног прага имао би довољно енергије за избацивање једног електрона, производећи фотоелектричну енергију ефекат. Испада да светлост не треба квантизовати да би се објаснио фотоелектрични ефекат, али неки уџбеници упорно кажу да фотоелектрични ефекат показује природу честица светлост.

Аинстеинова интерпретација фотоелектричног ефекта резултира једнаџбама које важе за видљиво и ултраљубичасто светло:

енергија фотона = енергија потребна за уклањање електрона + кинетичке енергије емитованог електрона

хν = В + Е

где
х је Планцкова константа
ν је учесталост инцидента фотон
В је радна функција, која је минимална енергија потребна за уклањање електрона са површине датог метала: хν₀
Е је максимум кинетичке енергије избачених електрона: 1/2 мв²
ν₀ је праг фреквенције фотоелектричног ефекта
м је остатак масе избаченог електрона
в је брзина избаченог електрона

Ни један електрон неће бити емитован ако је енергија инцидента фотона мања од радне функције.

Применом Аинстеинова специјална теорија релативности, однос између енергије (Е) и момента (п) честице је

Е = [(пц)² + (мц²)²]^(1/2)

где је м остатак масе честице и ц је брзина светлости у вакууму.

• Брзина којом се избацују фотоелектрони директно је пропорционална интензитету упадне светлости, за одређену фреквенцију инцидентног зрачења и метала.
• Време између инциденције и емисије фотоелектрона је веома мало, мање од 10^–9 друго.
• За одређени метал постоји минимална фреквенција упадног зрачења испод које се неће појавити фотоелектрични ефекат, тако да се не могу емитирати фотоелектрони (праг фреквенције).
• Изнад прага фреквенције, максимална кинетичка енергија емитованог фотоелектрона зависи од фреквенције падајућег зрачења, али није зависна од његовог интензитета.
• Ако је ударна светлост линеарно поларизована, тада ће усмерена дистрибуција емитованих електрона достићи максимум у смеру поларизације (смер електричног поља).

Када светлост и материја узајамно делују, могуће је неколико процеса, зависно од енергије падајућег зрачења. Фотоелектрични ефекат је резултат слабе светлости енергије. Средња енергија може произвести Тхомсон расипање и Цомптон растурање. Високоенергетско светло може да изазове производњу пара.