A fotoelektromos hatás akkor fordul elő, amikor az anyag elektronokat bocsát ki az elektromágneses sugárzásnak, például a fény fotonoknak való kitettségkor. Itt közelebbről megnézem, mi a fotoelektromos hatás és hogyan működik.
A fotoelektromos effektus áttekintése
A fotoelektromos hatást részben tanulmányozták, mert bevezető lehet hullám-részecske kettősség és kvantummechanika.
Ha egy felületet elegendő energiájú elektromágneses energiának tesznek ki, a fény elnyelődik és elektronok bocsátanak ki. A küszöbfrekvencia különböző anyagokonként eltérő. Ez látható fény alkálifémek esetében, közel ultraibolya fény más fémeknél és extrém ultraibolya sugárzás a nem fémeknél. A fotoelektromos hatás olyan fotonoknál fordul elő, amelyek energiája néhány elektronvolttól 1 MeV-nál nagyobb. Az 511 keV elektron-nyugalmi energiával összehasonlítható nagy fotonenergiáknál Compton-szóródás fordulhat elő, páronként az 1.022 MeV feletti energiák fordulhatnak elő.
Einstein azt állította, hogy a fény kvantákból áll, amelyeket fotonoknak hívunk. Azt javasolta, hogy az egyes fénykvantumokban az energia egyenlő legyen egy állandóval (Planck állandó) megszorozott frekvenciával, és hogy Egy bizonyos küszöbérték feletti fotonnak elegendő energiája lenne egyetlen elektron kisugárzásához, a fotoelektromos áram előállításához hatás. Kiderült, hogy a fénynek nem kell kvantálnia a fotoelektromos hatás magyarázata érdekében, hanem néhány tankönyv továbbra is azt állítja, hogy a fotoelektromos hatás bizonyítja a részecske jellegét fény.
Einstein egyenletei a fotoelektromos effektushoz
Einstein által a fotoelektromos hatás értelmezése olyan egyenleteket eredményez, amelyek érvényesek a látható és ultraibolya fény:
foton energiája = az elektron eltávolításához szükséges energia + a kibocsátott elektron kinetikus energiája
hν = W + E
hol
h Planck állandója
ν az esemény gyakorisága foton
W a munkafunkció, amely az egy adott fém felületéről egy elektron eltávolításához szükséges minimális energia: hν0
E a maximális érték kinetikus energia kisugárzott elektronok száma: 1/2 mv2
ν0 a fotoelektromos hatás küszöbfrekvenciája
m a kibocsátott elektron többi tömege
v a kiadott elektron sebessége
Ha a beeső foton energiája kisebb, mint a munkafunkció, akkor nem bocsátanak ki elektronokat.
alkalmazása Einstein speciális relativitáselmélete, a részecske energia (E) és impulzus (p) közötti értéke
E = [(pc)2 + (mc2)2](1/2)
ahol m a részecske többi tömege és c a fény sebessége vákuumban.
A fotoelektromos effektus főbb jellemzői
- A fotoelektronok kisugárzási sebessége közvetlenül arányos a beeső fény erősségével, a beeső sugárzás és a fém adott frekvenciájával.
- A fotoelektron előfordulása és kibocsátása közötti idő nagyon kicsi, kevesebb, mint 10–9 második.
- Egy adott fémen egy minimális beesési sugárzási frekvencia van, amely alatt a fotoelektromos hatás nem fordul elő, tehát fotoelektronok nem bocsáthatók ki (küszöbfrekvencia).
- A küszöbfrekvencia felett a kibocsátott fotoelektron maximális kinetikus energiája a beeső sugárzás frekvenciájától függ, de független annak intenzitásától.
- Ha a beeső fény lineárisan polarizált, akkor a kibocsátott elektronok irányított eloszlása a polarizáció (az elektromos mező iránya) irányában csúcsos.
A fotoelektromos effektus összehasonlítása más interakciókkal
Amikor a fény és az anyag kölcsönhatásba lép, több folyamat lehetséges, a beeső sugárzás energiájától függően. A fotoelektromos hatás alacsony energiaigényű. A közép energia Thomson szórást és Compton szóródás. Az erősen magas fény pár termelést okozhat.