Fotoelektrický jav

Mechanizmus

Nie každé elektromagnetické vlnenie spôsobí fotoelektrický efekt, iba žiarenie s určitou alebo vyššou frekvenciou spôsobí tento efekt. Minimálna potrebná frekvencia sa nazýva "medzná frekvencia" alebo "prahová frekvencia". Medzná frekvencia sa používa na nájdenie pracovnej funkcie, w {\displaystyle w} , čo je množstvo energie, ktoré drží elektrón na povrchu kovu. Pracovná funkcia je vlastnosťou kovu a nie je ovplyvnená prichádzajúcim žiarením. Ak na povrch kovu dopadá svetlo s frekvenciou vyššou ako medzná frekvencia, emitovaný elektrón bude mať určitú kinetickú energiu.

Energiu fotónu, ktorý spôsobuje fotoelektrický jav, zistíme pomocou E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} kde h {\displaystyle h} je Planckova konštanta, 6,626 ×⁻³⁴ 10 J-s, f {\displaystyle f} je frekvencia elektromagnetického vlnenia, K E {\displaystyle KE} je kinetická energia fotoelektrónu a w {\displaystyle w} je pracovná funkcia pre kov. Ak má fotón veľkú energiu, môže dôjsť ku Comptonovmu rozptylu (~ tisíce eV) alebo párovej produkcii (~ milióny eV).

Intenzita svetla sama o sebe nespôsobuje vymrštenie elektrónov. To dokáže len svetlo s vypínacou frekvenciou alebo vyššou. Zvyšovanie intenzity svetla však zvýši počet emitovaných elektrónov, pokiaľ je frekvencia vyššia ako medzná frekvencia.

História

Heinrich Hertz v roku 1887 prvýkrát pozoroval fotoelektrický jav. Uviedol, že medzi dvoma nabitými guľôčkami preskočí iskra ľahšie, ak na ne svieti svetlo. Boli vykonané ďalšie štúdie, aby sa zistilo, aký efekt Hertz pozoroval. V roku 1902 Philipp Lenard ukázal, že kinetická energia fotoelektrónu nezávisí od intenzity svetla. Einstein však až v roku 1905 navrhol teóriu, ktorá tento efekt úplne vysvetlila. Teória hovorí, že elektromagnetické žiarenie je rad častíc, ktoré sa nazývajú fotóny. Fotóny sa zrážajú s elektrónmi na povrchu a vyžarujú ich. Táto teória bola v rozpore s presvedčením, že elektromagnetické žiarenie je vlna. Preto sa spočiatku neuznávala za správnu. V roku 1916 Robert Millikan uverejnil výsledky experimentov s použitím vákuovej fotorúrky. Jeho práca ukázala, že Einsteinova fotoelektrická rovnica vysvetľuje správanie veľmi presne. Millikan a ďalší vedci však Einsteinovu teóriu svetelných kvánt prijímali pomalšie. Maxwellova vlnová teória elektromagnetického žiarenia nedokáže vysvetliť fotoelektrický efekt a žiarenie čierneho telesa. Tie vysvetľuje kvantová mechanika.