Fotoelektrinio efekto apibrėžimas ir paaiškinimas

Fotoelektrinis efektas atsiranda, kai materija skleidžia elektronus veikiant elektromagnetinei spinduliuotei, pavyzdžiui, šviesos fotonams. Čia atidžiau pažvelgsime, koks yra fotoelektrinis efektas ir kaip jis veikia.

Iš dalies tiriamas fotoelektrinis poveikis, nes tai gali būti įvadas į bangos dalelių dvilypumas ir kvantinė mechanika.

Kai paviršius yra veikiamas pakankamai energingos elektromagnetinės energijos, šviesa bus absorbuojama ir elektronai bus skleidžiami. Įvairių medžiagų slenksčio dažnis yra skirtingas. tai yra matoma šviesa šarminiams metalams, beveik ultravioletiniams spinduliams kitiems metalams, o ekstremaliems ultravioletiniams spinduliams - ne metalams. Fotoelektrinis efektas atsiranda fotonams, kurių energija yra nuo kelių elektroninių voltų iki daugiau nei 1 MeV. Esant didelėms fotono energijoms, palyginamoms su 511 keV elektronų ramybės energija, gali atsirasti Komptono išsklaidymas, kai energija viršija 1.022 MeV.

Einšteinas pasiūlė, kad šviesą sudarė kvantos, kurias mes vadiname fotonais. Jis pasiūlė, kad kiekvieno šviesos kvino energija būtų lygi dažniui, padaugintam iš konstantos (Plancko konstanta), ir kad a fotonas, kurio dažnis viršija tam tikrą slenkstį, turėtų pakankamai energijos išstumti vieną elektroną, sukuriantį fotoelektrą efektas. Pasirodo, kad norint paaiškinti fotoelektrinį efektą, šviesos nereikia kvantuoti, bet kai kuriuose vadovėliuose vis dar sakoma, kad fotoelektrinis efektas parodo dalelių prigimtį lengvas.

Einšteino interpretacija apie fotoelektrinį efektą lemia lygtis, kurios galioja matomam ir ultravioletinė šviesa:

fotono energija = energija, reikalinga elektronui pašalinti + skleidžiamo elektrono kinetinė energija

hν = W + E

kur
h yra Plancko konstanta
ν yra įvykio dažnis fotonas
W yra darbo funkcija, kuri yra mažiausia energija, reikalinga elektronui pašalinti iš tam tikro metalo paviršiaus: hν₀
E yra maksimalus kinetinė energija išstumtų elektronų: 1/2 mv²
ν₀ yra fotoelektrinio efekto slenkstinis dažnis
m yra likusioji išstumto elektrono masė
v - išstumto elektrono greitis

Neįeis nei vienas elektronas, jei atsitiktinio fotono energija yra mažesnė už darbinę funkciją.

Taikymas Einšteino specialioji reliatyvumo teorija, santykis tarp dalelės energijos (E) ir impulso (p) yra

E = [(vnt)² + (mc²)²]^(1/2)

kur m yra likusi dalelės masė, o c - šviesos greitis vakuume.

• Fotoelektronų išsiskyrimo greitis yra tiesiogiai proporcingas krintančios šviesos intensyvumui, atsižvelgiant į tam tikrą kritimo spinduliuotės ir metalo dažnį.
• Laikas tarp fotoelektrono dažnio ir spinduliavimo yra labai mažas, mažesnis nei 10^–9 antra.
• Tam tikram metalui yra nustatytas mažiausias kritinės spinduliuotės dažnis, žemiau kurio fotoelektrinis efektas nebus pastebimas, todėl fotoelektronai skleisti negali (slenksčio dažnis).
• Virš slenksčio dažnio didžiausia skleidžiamo fotoelektrono kinetinė energija priklauso nuo kintančios radiacijos dažnio, tačiau nepriklauso nuo jo intensyvumo.
• Jei krintanti šviesa yra tiesiškai poliarizuota, tada spinduliuojamų elektronų kryptinis pasiskirstymas bus didžiausias poliarizacijos (elektrinio lauko krypties) kryptimi.

Kai šviesa ir materija sąveikauja, atsižvelgiant į patekusios radiacijos energiją, galimi keli procesai. Fotoelektrinis efektas atsiranda dėl mažai energijos sunaudojančios šviesos. Vidutinė energija gali sukelti Thomsono sklaidą ir Komptono išsibarstymas. Didelės energijos lemputė gali sukelti porų gamybą.