Definícia a vysvetlenie fotoelektrického efektu

Fotoelektrický efekt sa vyskytuje, keď látka emituje elektróny po vystavení elektromagnetickému žiareniu, ako sú napríklad fotóny svetla. Tu je bližší pohľad na to, čo je fotoelektrický efekt a ako to funguje.

Fotoelektrický efekt sa študuje čiastočne, pretože môže byť úvodom k dualita vlnových častíc a kvantovej mechaniky.

Ak je povrch vystavený dostatočne energetickej elektromagnetickej energii, svetlo sa absorbuje a elektróny sa emitujú. Frekvencia prahov je rôzna pre rôzne materiály. to je viditeľné svetlo pre alkalické kovy, ultrafialové svetlo pre ostatné kovy a extrémne ultrafialové žiarenie pre nekovy. Fotoelektrický efekt sa vyskytuje u fotónov, ktoré majú energie od niekoľkých elektrónvoltov do viac ako 1 MeV. Pri vysokých fotónových energiách porovnateľných s elektrónovou pokojovou energiou 511 keV sa môže vyskytnúť Comptonov rozptyl, výroba párov sa môže uskutočniť pri energiách vyšších ako 1,022 MeV.

Einstein navrhol, že svetlo pozostávalo z kvanty, ktorú nazývame fotóny. Navrhol, že energia v každom kvanti svetla sa rovná frekvencii vynásobenej konštantou (Planckova konštanta) a že fotón s frekvenciou nad určitým prahom by mal dostatok energie na vysunutie jedného elektrónu, čo by viedlo k fotoelektrike účinok. Ukázalo sa, že na vysvetlenie fotoelektrického efektu nie je potrebné kvantifikovať svetlo, ale Niektoré učebnice stále tvrdia, že fotoelektrický efekt demonštruje časticovú povahu svetlo.

Einsteinova interpretácia fotoelektrického efektu vedie k rovniciam, ktoré sú platné pre viditeľné a ultrafialové svetlo:

energia fotónu = energia potrebná na odstránenie elektrónu + kinetická energia emitovaného elektrónu

hν = W + E

kde
h je Planckova konštanta
ν je frekvencia incidentu fotón
W je pracovná funkcia, čo je minimálna energia potrebná na odstránenie elektrónu z povrchu daného kovu: hν₀
E je maximum Kinetická energia ejektovaných elektrónov: 1/2 mv²
ν₀ je prahová frekvencia fotoelektrického efektu
m je zvyšková hmotnosť ejektovaného elektrónu
v je rýchlosť ejektovaného elektrónu

Ak je energia dopadajúceho fotónu menšia ako pracovná funkcia, nebude emitovaný žiadny elektrón.

uplatnenie Einsteinova špeciálna teória relativity, vzťah medzi energiou (E) a hybnosťou (p) častice je

E = [(ks)² + (mc²)²]^(1/2)

kde m je zvyšková hmotnosť častice ac je rýchlosť svetla vo vákuu.

• Rýchlosť, ktorou sa fotoelektróny vylučujú, je priamo úmerná intenzite dopadajúceho svetla pre danú frekvenciu dopadajúceho žiarenia a kovu.
• Čas medzi dopadom a emisiou fotoelektrónu je veľmi malý, menej ako 10^–9 na druhom mieste.
• Pre daný kov existuje minimálna frekvencia dopadajúceho žiarenia, pod ktorou sa fotoelektrický efekt nevyskytne, takže nemôžu byť emitované žiadne fotoelektróny (prahová frekvencia).
• Nad prahovou frekvenciou maximálna kinetická energia emitovaného fotoelektrónu závisí od frekvencie dopadajúceho žiarenia, ale je nezávislá od jeho intenzity.
• Ak je dopadajúce svetlo lineárne polarizované, potom sa smerové rozdelenie emitovaných elektrónov dosiahne v smere polarizácie (smer elektrického poľa).

Keď svetlo a látka interagujú, je možné niekoľko procesov, v závislosti od energie dopadajúceho žiarenia. Fotoelektrický efekt je výsledkom nízkoenergetického svetla. Stredná energia môže produkovať Thomsonov rozptyl a Comptonov rozptyl. Vysokoenergetické svetlo môže spôsobiť výrobu párov.