Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει όταν η ύλη εκπέμπει ηλεκτρόνια κατά την έκθεση σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, όπως φωτόνια φωτός. Ακολουθεί μια πιο προσεκτική ματιά στο τι είναι το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα και πώς λειτουργεί.
Επισκόπηση του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μελετάται εν μέρει επειδή μπορεί να είναι μια εισαγωγή στο η δυαδικότητα των κυμάτων-σωματιδίων και της κβαντικής μηχανικής.
Όταν μια επιφάνεια εκτίθεται σε επαρκώς ενεργητική ηλεκτρομαγνητική ενέργεια, το φως απορροφάται και εκπέμπονται ηλεκτρόνια. Η συχνότητα κατωφλίου είναι διαφορετική για διαφορετικά υλικά. είναι ορατό φως για αλκαλικά μέταλλα, σχεδόν υπεριώδες φως για άλλα μέταλλα και ακραία υπεριώδη ακτινοβολία για μη μεταλλικά. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει με τα φωτόνια που έχουν ενέργειες από λίγα ηλεκτρονικά μέχρι πάνω από 1 MeV. Στις υψηλές ενέργειες φωτονίων συγκρίσιμες με την ενέργεια ανάπαυσης ηλεκτρονίων των 511 keV, μπορεί να υπάρξει διασκορπισμός Compton, η οποία μπορεί να λάβει χώρα σε ενέργειες άνω των 1.022 MeV.
Ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι το φως αποτελείται από κβάντα, τα οποία ονομάζουμε φωτόνια. Πρότεινε ότι η ενέργεια σε κάθε κβαντικό φως ήταν ίση με τη συχνότητα πολλαπλασιασμένη με μια σταθερά (η σταθερά του Planck) και ότι μια το φωτόνιο με συχνότητα πάνω από ένα συγκεκριμένο κατώφλι θα έχει αρκετή ενέργεια για να εκβάλει ένα μόνο ηλεκτρόνιο, παράγοντας το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα. Αποδεικνύεται ότι το φως δεν χρειάζεται να κβαντιστεί για να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα, αλλά μερικά βιβλία συνεχίζουν να λένε ότι το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα αποδεικνύει τη φύση των σωματιδίων φως.
Οι εξισώσεις του Einstein για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Η ερμηνεία του Einstein για το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα οδηγεί σε εξισώσεις που ισχύουν για ορατά και υπεριώδες φως:
ενέργεια του φωτονίου = ενέργεια που απαιτείται για την απομάκρυνση μιας ηλεκτρονικής + κινητικής ενέργειας του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου
hν = W + Ε
που
h είναι η σταθερά του Planck
ν είναι η συχνότητα του συμβάντος φωτόνιο
W είναι η συνάρτηση εργασίας, η οποία είναι η ελάχιστη ενέργεια που απαιτείται για την αφαίρεση ενός ηλεκτρονίου από την επιφάνεια ενός δεδομένου μετάλλου: hν0
Το E είναι το μέγιστο κινητική ενέργεια των εκτοξευμένων ηλεκτρονίων: 1/2 mv2
ν0 είναι η συχνότητα κατωφλίου για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
m είναι η μάζα ανάπαυσης του εκτοξευόμενου ηλεκτρονίου
v είναι η ταχύτητα του εκτοξευόμενου ηλεκτρονίου
Δεν θα εκπέμπεται κανένα ηλεκτρόνιο εάν η ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου είναι μικρότερη από τη λειτουργία εργασίας.
Εφαρμογή Ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, η σχέση μεταξύ της ενέργειας (E) και της ορμής (p) ενός σωματιδίου είναι
Ε = [(pc)2 + (mc2)2](1/2)
όπου m είναι η υπόλοιπη μάζα του σωματιδίου και c είναι η ταχύτητα του φωτός σε ένα κενό.
Κύρια χαρακτηριστικά του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος
- Ο ρυθμός με τον οποίο εκτοξεύονται τα φωτοηλεκτρικά είναι άμεσα ανάλογος προς την ένταση του προσπίπτοντος φωτός, για μια δεδομένη συχνότητα προσπίπτουσας ακτινοβολίας και μετάλλου.
- Ο χρόνος μεταξύ της επίπτωσης και της εκπομπής ενός φωτοηλεκτρονίου είναι πολύ μικρός, μικρότερος από 10–9 δεύτερος.
- Για ένα δεδομένο μέταλλο υπάρχει μια ελάχιστη συχνότητα προσπίπτουσας ακτινοβολίας κάτω από την οποία δεν θα προκύψει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, επομένως δεν μπορούν να εκπέμπονται φωτοηλεκτρικά (συχνότητα κατωφλίου).
- Πάνω από τη συχνότητα κατωφλίου, η μέγιστη κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου φωτοηλεκτρονίου εξαρτάται από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας αλλά είναι ανεξάρτητη από την έντασή της.
- Εάν το προσπίπτον φως είναι γραμμικά πολωμένο, τότε η κατεύθυνση κατανομής των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων θα κορυφωθεί στην κατεύθυνση της πόλωσης (την κατεύθυνση του ηλεκτρικού πεδίου).
Συγκρίνοντας το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα με άλλες αλληλεπιδράσεις
Όταν αλληλεπιδρά το φως και η ύλη, είναι δυνατές αρκετές διαδικασίες, ανάλογα με την ενέργεια της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα προκύπτει από χαμηλό φωτισμό ενέργειας. Η μεσαία ενέργεια μπορεί να προκαλέσει σκέδαση Thomson και Compton σκέδαση. Το φως υψηλής ενέργειας μπορεί να προκαλέσει παραγωγή ζευγαριών.