Efekt fotoelektryczny występuje, gdy materia emituje elektrony po ekspozycji na promieniowanie elektromagnetyczne, takie jak fotony światła. Oto bliższe spojrzenie na to, czym jest efekt fotoelektryczny i jak działa.
Omówienie efektu fotoelektrycznego
Efekt fotoelektryczny jest częściowo badany, ponieważ może być wstępem do dualność falowo-cząsteczkowa i mechanika kwantowa.
Gdy powierzchnia zostanie wystawiona na wystarczająco energetyczną energię elektromagnetyczną, światło zostanie pochłonięte i wyemitowane zostaną elektrony. Częstotliwość progowa jest różna dla różnych materiałów. To jest widzialne światło dla metali alkalicznych, światło bliskiego ultrafioletu dla innych metali i promieniowanie ultrafioletowe dla niemetali. Efekt fotoelektryczny występuje w przypadku fotonów o energii od kilku elektronowoltów do ponad 1 MeV. Przy wysokich energiach fotonów porównywalnych z energią spoczynkową elektronów wynoszącą 511 keV, może wystąpić rozproszenie Comptona, wytwarzanie par może mieć miejsce przy energiach powyżej 1,022 MeV.
Einstein zaproponował, że światło składa się z kwantów, które nazywamy fotonami. Zasugerował, że energia w każdym kwantowym świetle jest równa częstotliwości pomnożonej przez stałą (stała Plancka) i że foton o częstotliwości przekraczającej określony próg miałby energię wystarczającą do wyrzucenia pojedynczego elektronu, wytwarzając fotoelektryczność efekt. Okazuje się, że światło nie musi być kwantowane, aby wyjaśnić efekt fotoelektryczny, ale niektóre podręczniki upierają się, że efekt fotoelektryczny pokazuje naturę cząstek światło.
Równania Einsteina dla efektu fotoelektrycznego
Interpretacja Einsteina efektu fotoelektrycznego prowadzi do równań, które są ważne dla widzialnego i światło ultrafioletowe:
energia fotonu = energia potrzebna do usunięcia elektronu + energia kinetyczna emitowanego elektronu
hν = W + E
gdzie
h jest stałą Plancka
ν to częstotliwość incydentu foton
W jest funkcją pracy, która jest minimalną energią wymaganą do usunięcia elektronu z powierzchni danego metalu: hν0
E to maksimum energia kinetyczna wyrzuconych elektronów: 1/2 mv2
ν0 to częstotliwość progowa dla efektu fotoelektrycznego
m jest masą resztkową wyrzuconego elektronu
v jest prędkością wyrzuconego elektronu
Nie będzie emitowany żaden elektron, jeśli energia fotonu padającego jest mniejsza niż funkcja pracy.
Aplikowanie Specjalna teoria względności Einsteina, związek między energią (E) a pędem (p) cząstki wynosi
E = [(szt.)2 + (mc2)2](1/2)
gdzie m jest masą spoczynkową cząstki, a c jest prędkością światła w próżni.
Kluczowe cechy efektu fotoelektrycznego
- Szybkość wyrzucania fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła, dla danej częstotliwości padającego promieniowania i metalu.
- Czas pomiędzy pojawieniem się i emisją fotoelektronu jest bardzo mały, mniejszy niż 10–9 druga.
- Dla danego metalu istnieje minimalna częstotliwość padającego promieniowania, poniżej której efekt fotoelektryczny nie wystąpi, więc nie można emitować fotoelektronów (częstotliwość progowa).
- Powyżej częstotliwości progowej maksymalna energia kinetyczna emitowanego fotoelektronu zależy od częstotliwości padającego promieniowania, ale jest niezależna od jego natężenia.
- Jeśli padające światło jest spolaryzowane liniowo, wówczas rozkład kierunkowy emitowanych elektronów osiągnie wartość szczytową w kierunku polaryzacji (kierunek pola elektrycznego).
Porównanie efektu fotoelektrycznego z innymi interakcjami
Kiedy światło i materia oddziałują na siebie, możliwe jest kilka procesów, w zależności od energii padającego promieniowania. Efekt fotoelektryczny wynika ze światła o niskiej energii. Środkowa energia może wytwarzać rozproszenie Thomsona i Rozpraszanie Comptona. Światło o wysokiej energii może powodować wytwarzanie pary.