Определение и обяснение на фотоелектричния ефект

Фотоелектричният ефект възниква, когато материята излъчва електрони при излагане на електромагнитно излъчване, като фотони на светлината. Ето по-подробно разглеждане какъв е фотоелектрическият ефект и как работи.

Фотоелектричният ефект се изучава отчасти, защото може да бъде въведение към двойност на вълната-частици и квантовата механика.

Когато повърхността е изложена на достатъчно енергийна електромагнитна енергия, светлината ще се абсорбира и ще се излъчват електрони. Праговата честота е различна за различните материали. то е Видима светлина за алкални метали, почти ултравиолетова светлина за други метали и изключително ултравиолетово лъчение за неметалите. Фотоелектричният ефект се проявява с фотони, които имат енергия от няколко електронволта до над 1 MeV. При високите енергии на фотоните, сравними с енергията на покой на електроните от 511 кэВ, може да се случи разсейване на Комтон при производството на двойки при енергии над 1,022 МеВ.

Айнщайн предложи светлината да се състои от кванти, които наричаме фотони. Той предположи, че енергията във всеки квант светлина е равна на честотата, умножена по константа (константа на Планк) и че a фотон с честота над определен праг би имал достатъчно енергия за изхвърляне на един електрон, произвеждайки фотоелектрика ефект. Оказва се, че не е необходимо светлината да бъде квантована, за да се обясни фотоелектричният ефект, но някои учебници продължават да твърдят, че фотоелектричният ефект показва естеството на частиците на светлина.

Интерпретацията на Айнщайн на фотоелектричния ефект води до уравнения, които са валидни за видими и ултравиолетова светлина:

енергия на фотона = енергия, необходима за отстраняване на електрон + кинетична енергия на излъчения електрон

hν = W + E

където
h е константа на Планк
ν е честотата на инцидента фотон
W е работната функция, която е минималната енергия, необходима за отстраняване на електрон от повърхността на даден метал: hν₀
E е максималният кинетична енергия на изхвърлени електрони: 1/2 mv²
ν₀ е праговата честота на фотоелектричния ефект
m е останалата маса на изтласкания електрон
v е скоростта на изтласкания електрон

Няма да се излъчи електрон, ако енергията на падащия фотон е по-малка от работната функция.

Прилагане Специалната теория на относителността на Айнщайн, връзката между енергия (E) и импулс (p) на частица е

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

където m е масата на покой на частицата и c е скоростта на светлината във вакуум.

• Скоростта, с която се изхвърлят фотоелектроните, е пряко пропорционална на интензитета на падащата светлина за дадена честота на падащото лъчение и метала.
• Времето между честотата и излъчването на фотоелектрон е много малко, по-малко от 10^–9 секунда.
• За даден метал има минимална честота на падащо излъчване, под която фотоелектрическият ефект няма да настъпи, така че не могат да се излъчват фотоелектрони (прагова честота).
• Над праговата честота максималната кинетична енергия на излъчения фотоелектрон зависи от честотата на падащото лъчение, но е независима от неговата интензивност.
• Ако падащата светлина е линейно поляризирана, тогава насоченото разпределение на излъчените електрони ще достигне пик в посока на поляризация (посоката на електрическото поле).

Когато взаимодействат светлина и материя, са възможни няколко процеса, в зависимост от енергията на падащото лъчение. Фотоелектричният ефект е резултат от нискоенергийна светлина. Средната енергия може да доведе до разсейване на Томсън и Compton разсейване. Високо енергийната светлина може да доведе до производството на двойки.