Fotoelektriskais efekts rodas, ja viela izstaro elektronus, pakļaujot to elektromagnētiskajam starojumam, piemēram, gaismas fotoniem. Šeit sīkāk apskatīsim, kāds ir fotoelektriskais efekts un kā tas darbojas.
Fotoelektriskā efekta pārskats
Fotoelektriskais efekts tiek pētīts daļēji, jo tas var būt ievads viļņu-daļiņu dualitāte un kvantu mehānika.
Kad virsma tiek pakļauta pietiekami enerģētiskai elektromagnētiskajai enerģijai, gaisma tiks absorbēta un elektroni tiks izstaroti. Dažādiem materiāliem sliekšņa frekvence ir atšķirīga. Tas ir redzamā gaisma sārmu metāliem, gandrīz ultravioleto starojumu citiem metāliem un ārkārtēju ultravioleto starojumu nemetāļiem. Fotoelektriskais efekts rodas fotoniem, kuru enerģija ir no dažiem elektrodiem līdz vairāk nekā 1 MeV. Pie lielām fotonu enerģijām, kas salīdzināmas ar 511 keV elektronu atpūtas enerģiju, var rasties Komptona izkliede, pāru veidošanās var notikt pie enerģijām, kas pārsniedz 1,022 MeV.
Einšteins ierosināja, ka gaisma sastāv no kvantām, kuras mēs saucam par fotoniem. Viņš ierosināja, ka enerģija katrā gaismas kvantā bija vienāda ar frekvenci, kas reizināta ar konstanti (Planka konstante), un ka fotonam, kura frekvence pārsniedz noteiktu slieksni, būtu pietiekami daudz enerģijas, lai izstumtu vienu elektronu, radot fotoelektrisko efekts. Izrādās, ka gaisma nav jānosaka kvantitatīvi, lai izskaidrotu fotoelektrisko efektu, bet dažas mācību grāmatas joprojām apgalvo, ka fotoelektriskais efekts parāda viegls.
Einšteina vienādojumi fotoelektriskajam efektam
Einšteina fotoelektriskā efekta interpretācija rada vienādojumus, kas ir derīgi redzamajam un ultravioletā gaisma:
fotona enerģija = enerģija, kas nepieciešama elektrona noņemšanai + emitētā elektrona kinētiskā enerģija
hν = W + E
kur
h ir Planka konstante
ν ir negadījuma biežums fotons
W ir darba funkcija, kas ir minimālā enerģija, kas nepieciešama, lai noņemtu elektronu no dotā metāla virsmas: hν0
E ir maksimālais kinētiskā enerģija izmesto elektronu skaits: 1/2 mv2
ν0 ir fotoelektriskā efekta sliekšņa frekvence
m ir izstumtā elektrona pārējā masa
v ir izstumtā elektrona ātrums
Neviens elektrons netiks izstarots, ja negadījuma fotona enerģija ir mazāka par darba funkciju.
Pieteikšanās Einšteina īpašā relativitātes teorija, attiecība starp daļiņas enerģiju (E) un impulsu (p) ir
E = [(pc)2 + (mc2)2](1/2)
kur m ir daļiņas atpūtas masa un c ir gaismas ātrums vakuumā.
Fotoelektriskā efekta galvenās iezīmes
- Fotoelektronu izstarošanas ātrums ir tieši proporcionāls krītošās gaismas intensitātei noteiktā krītošā starojuma un metāla frekvencē.
- Laiks starp fotoelektrona sastopamību un izstarošanu ir ļoti mazs, mazāks par 10–9 otrais.
- Dotajam metālam ir minimālā krītošā starojuma frekvence, zem kuras fotoelektriskais efekts nenotiks, tāpēc fotoelektronus nevar izstarot (sliekšņa frekvence).
- Virs sliekšņa frekvences izstarotā fotoelektrona maksimālā kinētiskā enerģija ir atkarīga no krītošā starojuma frekvences, bet nav atkarīga no tā intensitātes.
- Ja krītošā gaisma ir lineāri polarizēta, tad izstaroto elektronu virziena sadalījums sasniegs maksimumu polarizācijas virzienā (elektriskā lauka virziens).
Fotoelektriskā efekta salīdzināšana ar citām mijiedarbībām
Gaismas un matērijas mijiedarbībā ir iespējami vairāki procesi, atkarībā no negadījuma starojuma enerģijas. Fotoelektrisko efektu rada zems enerģijas patēriņš. Vidējā enerģija var radīt Thomson izkliedi un Komptona izkliede. Augstas enerģijas spuldze var izraisīt pāra veidošanos.