Fotoefekt
Paista valgust metallpinnale ja õigetel tingimustel paiskab see elektrone välja — kangekaelne tulemus, mille selgitamisel klassikaline füüsika jalgu jäi. Üheksateistkümnenda sajandi laineõpetus ennustas, et tuhmim valgus peaks elektrone siiski välja paiskama, lihtsalt aeglasemalt, kui energial on aega koguda. Päris katsed näitasid vastupidist: allpool teravat läbisagedust ei tekita ükski intensiivsus ega ootamine ainsatki elektroni, samas kui isegi kõige nõrgem valgus sellest sagedusest kõrgemal paiskab elektronid koheselt välja. Einsteini 1905. aasta selgitus — et valgus ise saabub energias diskreetsetes pakkides, mida hakati hiljem kutsuma footoniteks — lahendas mõistatuse ja sai üheks kvantmehaanika rajavaks tulemuseks, mille eest ta pälvis 1921. aasta Nobeli füüsikaauhinna.
Valgus ei taba metalli sileda lainena — ta saabub väikeste pursketena, mida kutsutakse footoniteks, kumbki kandes fikseeritud hulka energiat. Elektron pääseb välja ainult siis, kui üksiku footoni energia on vähemalt sama suur kui metalli väljumistöö — energia, mis tavaliselt hoiab elektroni paigal. Mis energiat üle jääb, saab elektroni kineetiliseks energiaks, kui ta välja lendab.
Valem
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — maksimaalne kineetiline energia (eV): suurim energia, mida väljastatud elektron ära kannab
- h — Plancki konstant (eV·s): tilluke konstant, mis seob footoni sageduse tema energiaga
- f — sagedus (Hz): kui palju valguslaineid saabub iga sekundiga
- φ — väljumistöö (eV): miinimumenergia, mis on vaja elektroni metallist lahti kiskuda
Lahendatud näide
Naatriumpinda tabav footon kannab 3,1 eV energiat. Naatriumi väljumistöö on 2,1 eV. Missugune on väljastatud elektroni maksimaalne kineetiline energia?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Kontrolli end
Nüüd valgusallikas vahetatakse kõrgema sagedusega vastu, toimetades footoneid 3,6 eV energiaga samale naatriumpinnale (väljumistöö ikka 2,1 eV). Missugune on uus maksimaalne kineetiline energia?
- 5.7 eV
- Õige vastus: 1.5 eV
- 1.0 eV
Jah! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Oleta, et footoni energia hf on väiksem kui metalli väljumistöö φ. Mis juhtub?
- Elektron väljastatakse, aga aeglasemana
- Elektron väljastatakse negatiivse kineetilise energiaga
- Õige vastus: Üldse ükski elektron ei pääse välja
Õige — allpool väljumistööd ei saa üksik footon piisavalt energiat anda, seega ükski elektron ei pääse välja, ükskõik kui ere valgus on.
Kus sa seda näed
Päikesepaneel katuseal on see efekt elatise teenimisel: päikesevalguse footonid tabavad ränni, üksik lüües lahti kõige rohkem ühe elektroni, ja need vabastatud elektronid voolavad välja vooluna. Hämarust tajuvad tänavavalgustid ja vanad fotoelemendist uksed jooksevad samal footon-ühe-elektroni vahetusel.
Tüüpilised vead
Klassikaline viga on, et Erema valgus peaks elektrone kõvemini välja paiskama — intensiivsus tekitab ainult ROHKEM elektrone; igauhe energia sõltub ainult footoni sagedusest, läbi KEₘₐₓ = h · f − φ. Ja allpool läve ei juhtu midagi, ükskõik kui ere kiir on: kineetiline energia ei saa olla negatiivne, seega kui hf on väiksem kui väljumistöö φ, ei lahku ükski elektron üldse. Üle läve, lahuta: footonid 3,6 eV-ga naatriumil (φ = 2,1 eV) väljastavad elektronid 1,5 eV-ga.
Kuidas see seondub
See on asutav pragune klassikalises füüsikas — valgus osakestena käitumas — ja uks kogu nüüdisfüüsika moodulisse: Comptoni hajumine, järgmisena, näitab, et need footonid kannavad impulsit nagu biljardikuulid, ja laine-osakese duaalsus, mis lõpeb ainelainega, algab täpselt siit.