Фотоелектричен ефект

Заемодејство светлина-материја
Нискоенергетски појави:
Фотоелектричен ефект
Средноенергетски појави:
Томсоново расејување
Комптонов ефект
Високоенергетски појави:
Создавање на парови
п р у

Фотоелектричен ефект — физичка појава при која електроните се исфрлени од атомите, кога тие се изложени на енергијата од светлината. Електроните исфрлени на овој начин се наречени фотоелектрони.^[1][2]

Во 1887, Хајнрих Херц^[2][3] забележал дека електродите осветлени со ултравиолетова светлина создаваат електрични искри мошне полесно. Во 1905 Алберт Ајнштајн објави труд кој ги објаснуваше експерименталните податоци од фотоелектричниот ефект како резултат на фактот дека енергијата на светлината е пренесена во дискретни квантни пакети. Ова откритие доведе до квантна револуција. Ајнштајн беше награден со Нобелова награда во 1921 г. за неговото откритие на „законот на фотоелектричниот ефект“.^[4]

За да настане Фотоелектричниот ефект потребни се фотони со енергии од неколку електронволти па до над 1 MeV кај елементите со големи атомски броеви. Проучувањата на фотоелектричниот ефект доведоа до спознавање на квантната природа на светлината и електроните и помогна во создавањето на концептот дуалитет бран-честичка.^[1] Останатите појави во кои светлината влијае на движењето на електричните полнежи се наречени фотоспроводлив ефект,( познат и како фотоспроводливост или пак фотоотпорност ), фотоволтаичниот ефект и фотоелектрохемискиот ефект. Се надоврза на Планковото pоткритие т.н. Планкова равенка (E = hf) поврзувајќи ја енергијата (E) и честотата (f) како последица на квантуваната природа на енергијата. Ознаката h е позната како Планкова константа.

Фотоните од светлосниот зрак имаат карактеристична енергија пропорционална со честотата на светлината. Ако некој електрон од материјалот ја впие енергијата на фотонот и впие енергија поголема од врзивната енергија истиот ќе биде исфрлен од материјалот. ако енергијата на фотонот е многу мала, електронот нема да го напушти материјалот. Со зголемувањњето на јачината на светлинскиот зрак се зголемува бројот на фотони во истиот, со што се зголемува бројот на возбудени електрони, но не се зголемува енергијата која ја поседува секој од електроните. Енергијата на исфрлените електрони не зависи од јачината на светлината, туку само од енергијата ( еквивалентната честота ) на поединечните фотони. Всушност станува збор за заемодејство меѓу фотонот и електроните од највисокото енергетско ниво.

Електроните можат да впијат енергија од фотоните кога се озрачени, но обично го следат принципот „на се или ништо“. Целата енергија од еден фотон може да биде впиена и искористена за да се исфрли електрон од атомското јадро, во спротивно енергијата ќе биде преодадена. Ако енергијата на фотонот е впиена, дел од истата го исфрла електронот од атомот, а остатокот придонесува за кинетичката енергија на електронот како слободна честичка.^[5][6][7]

Теоријата на фотоелектричниот ефект мора да ги објасни и експерименталните набљудувања на исфрлените електрони од осветлени метални површини.

За одреден метал, постои одредена минимална честота на случајно озрачување под која не се исфрлаат фотоелектрони. Оваа честота се нарекува „праг на честота“. Со зголемувањето на честотата на упадниот зрак, зачувувајќи го бројот на упадните фотони фиксен се зголемува максималната кинетичка енергија на исфрлените фотоелектрони. Но се зголемува запирачкиот напон. Бројот на електрони се менува со фактот дека секој фотон ќе исфрли електрон и на тој начин се добива функција на енергијата на фотонот. Ако јачината на упадното зрачење се зголеми тоа нема да има ефект на енергијата на фотоелектроните.

Над прагот на честотата максималната кинетичка енергија на исфрлените фотоелектрони ќе зависи од честотата ан упадната светлина, но е независно од јачината на упадната светлина сè до оној момент сè додека јачината на светлината не е многу голема.^[8]

За одреден метал и честота на упадно зрачење, стапката со која се исфрлени фотоелектроните е правопропорционална со јачината на упадната светлина. Со зголемувањето на јачината на упадниот зрак ( одржувајќи ја честотата фиксна ) се зголемува силината на фотоелектричната струја, но запирниот напон останува ист.Временското задоцнување меѓу упадното зрачење и исфрлањето на фото е мошне мала, помала од електронот 10⁻⁹ секунди.

Максималната кинетичка енергија ${\displaystyle K_{\mathrm {max} }}$ на исфрлениот електрон е дадена со релацијата

${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=h\,f-\varphi ,}$

каде ${\displaystyle h}$ е планковата константа и ${\displaystyle f}$ е честотата на упадниот фотон. Записот ${\displaystyle \varphi }$ е работната функција (некогаш означена како ${\displaystyle W}$, или ${\displaystyle \phi }$^[9]), со што се добива минималната енергија потребна за да се отстрни или помести електрон од површината на металот. Работната функција го задоволува условот

${\displaystyle \varphi =h\,f_{0},}$

каде ${\displaystyle f_{0}}$ е прагот на честота за металот. Максималната кинетичка енергија на исфрлениот електрон е

${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=h\left(f-f_{0}\right).}$

Кинетичката енергија е позитивна па се добива ${\displaystyle f>f_{0}}$ што е потребно за да настане фотоелектричниот ефект.^[10]

Станува збор за екстремно светлинско-осетливи вакуумски лампи Фотокатоди ставени на крајниот дел од внатрешноста на лампата. Фотокатодата е составена од материјали како цезиум, рубидиум и антимон кои се специјално одбрани за да овозможат ниска работна функција, па кога ќе бидат осветлени дури и со најмала светлина, фотокатодата ослободува електрони. Со помош на серии од (диноди) со повисоки потенцијали, овие електрони се забрзани со значително зголемен број низ секундарно оддавање за да се добие струја која може да се измери. Фотомултипликаторите сè уште се во употреба кога треба да се измери ниско ниво на светлина.^[11]

• Томсоново расејување
• Фотоструја
• Фотомултипликатор
• Сончева ќелија
• Сончева енергија
• Демберов ефект
• Фотомагнетен ефект
• Фотоелектронска спектроскопија
• Планков закон за црнотелесното зрачење
• Квантна механика