Fotoelektriska effektelektron från material och ljus

Den fotoelektriska effekten uppstår när materien avger elektroner vid exponering för elektromagnetisk strålning, till exempel fotoner av ljus. Här är en närmare titt på vad den fotoelektriska effekten är och hur den fungerar.

Översikt av den fotoelektriska effekten

Den fotoelektriska effekten studeras delvis eftersom den kan vara en introduktion till våg-partikeldualitet och kvantmekanik.

När en yta utsätts för tillräckligt energisk elektromagnetisk energi absorberas ljus och elektroner släpps ut. Tröskelfrekvensen är olika för olika material. Det är synligt ljus för alkalimetaller, nära ultraviolett ljus för andra metaller och extrem ultraviolett strålning för icke-metaller. Den fotoelektriska effekten inträffar med fotoner med energier från några elektronvolt till över 1 MeV. Vid de höga fotonenergierna som är jämförbara med elektronens viljanergi på 511 keV, kan Compton-spridning ske, parproduktion kan ske vid energier över 1.022 MeV.

Einstein föreslog att ljuset bestod av kvanta, som vi kallar fotoner. Han föreslog att energin i varje ljuskvantum var lika med frekvensen multiplicerad med en konstant (Plancks konstant) och att en foton med en frekvens över en viss tröskel skulle ha tillräckligt med energi för att mata ut en enda elektron och producera den fotoelektriska effekten. Det visar sig att ljus inte behöver kvantifieras för att förklara den fotoelektriska effekten, men vissa läroböcker kvarstår med att säga att den fotoelektriska effekten visar ljusets partikelkaraktär.

Einsteins ekvationer för den fotoelektriska effekten

Einsteins tolkning av den fotoelektriska effekten resulterar i ekvationer som är giltiga för synligt och ultraviolett ljus:

fotonens energi = energi som behövs för att ta bort en elektron + kinetisk energi från den utsända elektronen

hν = W + E

var
h är Plancks konstant
v är frekvensen för händelsefoton
W är arbetsfunktionen, som är den minsta energin som krävs för att ta bort en elektron från ytan på en given metall: hν₀
E är den maximala kinetiska energin för utkastade elektroner: 1/2 mv²
ν₀ är tröskelfrekvensen för den fotoelektriska effekten
m är restmassan för den utkastade elektronen
v är hastigheten för den utkastade elektronen

Ingen elektron kommer att släppas ut om den infallande fotonens energi är mindre än arbetsfunktionen.

Tillämpningen av Einsteins speciella relativitetsteori är förhållandet mellan energi (E) och momentum (p) för en partikel

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

där m är partikelns vilmassa och c är ljusets hastighet i ett vakuum.

Nyckelfunktioner för den fotoelektriska effekten

• Den hastighet med vilken fotoelektroner matas ut är direkt proportionell mot intensiteten hos infallande ljus, för en given frekvens av infallande strålning och metall.
• Tiden mellan incidensen och utsläppen av en fotoelektron är mycket liten, mindre än 10^-9 andra.
• För en given metall finns det en minsta frekvens av infallande strålning under vilken den fotoelektriska effekten inte kommer att inträffa, så inga fotoelektroner kan släppas ut (tröskelfrekvens).
• Över tröskelfrekvensen beror den maximala kinetiska energin hos det utsända fotoelektronet på frekvensen av den infallande strålningen men är oberoende av dess intensitet.
• Om det infallande ljuset är linjärt polariserat, kommer riktningsfördelningen för utsända elektroner att toppa i polarisationsriktningen (det elektriska fältets riktning).

Jämför den fotoelektriska effekten med andra interaktioner

När ljus och materia samverkar, är flera processer möjliga, beroende på energin från strålning. Den fotoelektriska effekten resulterar från ljus med låg energi. Mittenergi kan producera Thomson-spridning och Compton-spridning. Ljus med hög energi kan orsaka parproduktion.