Fotoelektrični efekt

Emisija elektrona sa metalne ploče uzrokovana svjetlosnim kvantima - fotonima.

Fotoelektrični efekat je prvobitno otkriven od Heinrich Rudolf Hertza. Hertz je istraživao električno pražnjenje između dvije elektrode. Pri eksperimentu je otkrio da intenzitet elektrona, struja, raste ako se elektrode osvjetle ultravioletnim svjetlom. Poslije njegovog otkrića urađeni su novi eksperimenti. Sistem sa anodom i katodom se postavi u vakumsku cijev. Oslobođeni elektroni se privlače od anode. Struja kroz cijev (foto struja) zavisi od napona $V_{s}$ između anode i katode.

Ultravioletno svjetlo ima višu energiju od vidljivog svjetla i može čak rastvoriti neke materijale, naročito plastične materijale zbog čega se oni moraju posebno formirati za vanjske potrebe. U pokušajima gdje se metal osvjetli visoko energetskim svjetlom, sa kratkom talasnom dužinom/visokom frekvencijom, otkrilo se da metal oslobađa elektrone koji leže u površinskom sloju metala. Za elektrone koji leže dublje traži se veća energija jer su jače vezani. Einstein je to formulisao 1905. zbog čega mu je 1922. g. dodijeljena Nobelova nagrada.

Da bi elektron napustio površinu metala potrebna mu je minimalna energija za napuštanje, W. Energija jednoga fotona je $h\nu$, gdje je $h$ Planckova konstanta a $\nu$ je frekvencija fotona. Da bi elektron napustio površinu metala potrebna mu je znači energija veća od minimalne energije W, ${h\nu >W}$. Maksimalna kinetička energija koju foton dobije nakon što napusti površinu metala je:

$\ E_{k}^{max}={h\nu }-W\quad (1)$

Ako u eksperimentu variramo talasnu dužinu fotona, intenzitet svjetla ili materijal katode može se zaključiti sljedeće:

• Struja kroz cijev raste sa naponom i kroz vrijeme postaje konstantna.
• Ako se doda dovoljno negativan napon, $V_{s}$, struja kroz cijev prestaje. Napon je nezavisan od intenziteta svjetla ali raste sa frekvencijom svjetla. Konstanta $k$ je ista za sve materijale ali je frekvencija $\nu _{0}$ različita za različite materijale $\ V_{s}=k(\nu -\nu _{0}),\quad k={\frac {h}{e}}\quad (2)$
• Ako je frekvencija svjetla manja od $\nu _{0}$ ne dolazi do nastanka fotoelektričnog efekta.

Veza između maksimalne kinetičke energije, $E_{k}$ i napona $V_{s}$ je:

$\ E_{k}^{max}=e*V_{s}$

$\ e$ je elektronov naboj:

$e\approx 1{,}602*10^{-19}C$

Ako izjednačimo jednačinu $(1)$ i $(2)$ dobijamo Einstienov zakon fotoelektričnog efekta:

$\ eV_{s}={h\nu }-W$

Fotoelektrični efekat dokazuje da se energija fotona, kvant, može prenijeti na elektrone.

Također pogledajte

• Sunčeva energija
• Kvantna mehanika