Definice a vysvětlení fotoelektrického efektu

Fotoelektrický efekt nastává, když hmota emituje elektrony po vystavení elektromagnetickému záření, jako jsou fotony světla. Zde je podrobnější pohled na to, co je fotoelektrický efekt a jak to funguje.

Fotoelektrický efekt je studován částečně, protože to může být úvod do dualita vlnových částic a kvantová mechanika.

Když je povrch vystaven dostatečně energetické elektromagnetické energii, bude absorbováno světlo a budou emitovány elektrony. Prahová frekvence se liší pro různé materiály. to je viditelné světlo pro alkalické kovy, blízké ultrafialové světlo pro jiné kovy a extrémní ultrafialové záření pro nekovy. Fotoelektrický efekt nastává u fotonů s energií od několika elektronvoltů do více než 1 MeV. Při vysokých fotonových energiích srovnatelných s klidovou energií elektronů 511 keV se může objevit Comptonův rozptyl, výroba párů může probíhat při energií nad 1,022 MeV.

Einstein navrhl, že světlo sestává z quanty, kterou nazýváme fotony. Navrhl, že energie v každém kvantu světla byla stejná jako frekvence vynásobená konstantou (Planckova konstanta) a že foton s frekvencí nad určitým prahem by měl dostatečnou energii k vystřelení jediného elektronu, čímž by vznikl fotoelektrikum účinek. Ukázalo se, že světlo nemusí být kvantifikováno, aby vysvětlilo fotoelektrický efekt, ale některé učebnice přetrvávají v tom, že fotoelektrický efekt demonstruje částečnou povahu světlo.

Einsteinova interpretace fotoelektrického jevu vede k rovnicím, které jsou platné pro viditelné a ultrafialové světlo:

energie fotonu = energie potřebná k odstranění elektronu + kinetická energie emitovaného elektronu

hν = W + E

kde
h je Planckova konstanta
ν je frekvence incidentu foton
W je pracovní funkce, což je minimální energie potřebná k odstranění elektronu z povrchu daného kovu: hν₀
E je maximum Kinetická energie vystřelených elektronů: 1/2 mv²
ν₀ je prahová frekvence pro fotoelektrický efekt
m je zbytková hmotnost vypuzovaného elektronu
v je rychlost vypuzovaného elektronu

Pokud je energie dopadajícího fotonu menší než pracovní funkce, nebude emitován žádný elektron.

Přihlašování Einsteinova speciální teorie relativity, vztah mezi energií (E) a hybností (p) částice je

E = [(ks)² + (mc²)²]^(1/2)

kde m je zbytková hmotnost částice ac je rychlost světla ve vakuu.

• Rychlost, při které jsou fotoelektrony vypuzovány, je přímo úměrná intenzitě dopadajícího světla pro danou frekvenci dopadajícího záření a kovu.
• Čas mezi dopadem a emisí fotoelektronu je velmi malý, méně než 10^–9 druhý.
• Pro daný kov existuje minimální frekvence dopadajícího záření, pod kterou fotoelektrický efekt nenastane, takže nemohou být emitovány žádné fotoelektrony (prahová frekvence).
• Nad prahovou frekvencí závisí maximální kinetická energie emitovaného fotoelektronu na frekvenci dopadajícího záření, ale je nezávislá na jeho intenzitě.
• Pokud je dopadající světlo lineárně polarizované, pak bude směrové rozdělení emitovaných elektronů vrcholit ve směru polarizace (směr elektrického pole).

Když světlo a hmota interagují, je možné několik procesů v závislosti na energii dopadajícího záření. Fotoelektrický efekt je výsledkem nízkoenergetického světla. Střední energie může produkovat Thomsonův rozptyl a Comptonův rozptyl. Vysokoenergetické světlo může způsobit výrobu párů.