Opredelitev in razlaga fotoelektričnih učinkov

Fotoelektrični učinek se pojavi, ko snov oddaja elektrone ob izpostavljenosti elektromagnetnemu sevanju, kot so fotoni svetlobe. Tu je podrobnejši pogled, kakšen je fotoelektrični učinek in kako deluje.

Delno preučujemo fotoelektrični učinek, ker je lahko uvod v dvojnost valovnih delcev in kvantno mehaniko.

Ko je površina izpostavljena dovolj energijski elektromagnetni energiji, se absorbira svetloba in oddajajo elektroni. Mejna frekvenca je pri različnih materialih različna. je vidna svetloba za alkalne kovine, skoraj ultravijolično svetlobo za druge kovine in ekstremno ultravijolično sevanje za nemetale. Fotoelektrični učinek se pojavi pri fotonih, ki imajo energijo od nekaj elektrovoltov do več kot 1 MeV. Pri visoki energiji fotona, ki je primerljiva z energijo počitka elektrona 511 keV, lahko pride do sipanja komtona, pri čemer lahko pride do proizvodnje parov pri energijah nad 1.022 MeV.

Einstein je predlagal, da se svetloba sestavlja kvant, ki ji rečemo fotoni. Predlagal je, da je energija v vsakem kvantu svetlobe enaka frekvenci, pomnoženi s konstanto (Planckova konstanta) in da foton s frekvenco nad določenim pragom bi imel dovolj energije, da bi izločil en sam elektron, pri čemer bi ustvaril fotoelektriko učinek. Izkazalo se je, da svetlobe ni treba kvantizirati, da bi pojasnili fotoelektrični učinek, vendar nekateri učbeniki še vedno trdijo, da fotoelektrični učinek kaže naravo delcev svetloba.

Einsteinova razlaga fotoelektričnega učinka povzroči enačbe, ki veljajo za vidno in ultravijolična svetloba:

energija fotona = energija, ki je potrebna za odstranitev elektrona + kinetična energija oddanega elektrona

hν = Š + E

kje
h je Planckova stalnica
ν je pogostost incidenta foton
W je delovna funkcija, ki je najmanjša energija, potrebna za odstranjevanje elektrona s površine dane kovine: hν₀
E je največ kinetična energija izvrženih elektronov: 1/2 mv²
ν₀ je mejna frekvenca fotoelektričnega učinka
m je preostala masa iztisnjenega elektrona
v je hitrost izvrženega elektrona

Če je energija vpadljivega fotona manjša od delovne funkcije, se ne oddaja noben elektron.

Nanašanje Einsteinova posebna teorija relativnosti, razmerje med energijo (E) in momentom (p) delca je

E = [(kos)² + (mc²)²]^(1/2)

kjer je m preostala masa delca in c hitrost svetlobe v vakuumu.

• Hitrost, v kateri se izločajo fotoelektroni, je sorazmerna intenziteti vpadne svetlobe za določeno frekvenco sevalnega sevanja in kovine.
• Čas med pojavnostjo in emisijo fotoelektrona je zelo majhen, manjši od 10^–9 drugič.
• Za določeno kovino je najmanjša frekvenca sevalnega sevanja, pod katero fotoelektrični učinek ne bo prišlo, zato ni mogoče izpustiti fotoelektronov (pražna frekvenca).
• Nad pražno frekvenco je največja kinetična energija oddajanega fotoelektrona odvisna od frekvence vpadnega sevanja, vendar je neodvisna od njegove intenzitete.
• Če je vpadna svetloba linearno polarizirana, potem bo usmerjena porazdelitev oddajanih elektronov dosegla vrhunec v smeri polarizacije (smer električnega polja).

Ko se medsebojno vplivata svetloba in snov, je možno več procesov, odvisno od energije sevalnega sevanja. Fotoelektrični učinek je posledica nizke energije svetlobe. Srednja energija lahko povzroči Thomson razprševanje in Compton sipanje. Visokoenergijska svetloba lahko povzroči proizvodnjo para.