Valosähköinen ilmiö
Suuntaa valoa metallipinnalle ja, oikeissa olosuhteissa, se sinkouttaa elektroneja – itsepäisen outo tulos, kun klassinen fysiikka yritti selittää sitä. Aikansa aaltoteoria ennusti, että himmeämpi valo irrottaisi elektroneja edelleen, vain hitaammin, kunhan energiaa ehtisi kertyä tarpeeksi. Oikeat kokeet osoittivat päinvastoin: terävän katkaisutaajuuden alapuolella mikään intensiteetti tai odottelu ei tuota ainuttakaan elektronia, kun taas jopa himmein valo kyseisen taajuuden yläpuolella irrottaa elektroneja välittömästi. Einsteinin vuoden 1905 selitys – että valo itsessään saapuu erillisinä energiapaketteina, myöhemmin fotoneiksi kutsuttuina – ratkaisi arvoituksen ja nousi yhdeksi kvanttimekaniikan perustavista tuloksista, mistä hän sai vuoden 1921 Nobelin fysiikanpalkinnon.
Valo ei osu metalliin tasaisena aaltona – se saapuu pieninä purskeina, joita kutsutaan fotoneiksi, joista kukin kantaa kiinteää energiamäärää. Elektroni pakenee vain, jos yhden fotonin energia on vähintään yhtä suuri kuin metallin irtoamistyö, energia, joka normaalisti pitää elektronin paikallaan. Mikä energiaa jää yli, muuttuu elektronin liike-energiaksi sen lentäessä ulos.
Kaava
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — maksimiliike-energia (eV): suurin energia, jonka irtoava elektroni kantaa mukanaan
- h — Planckin vakio (eV·s): pieni vakio, joka yhdistää fotonin taajuuden sen energiaan
- f — taajuus (Hz): kuinka monta valoaaltoa saapuu joka sekunti
- φ — irtoamistyö (eV): minimienergia, joka tarvitaan elektronin irrottamiseen metallista vapaaksi
Ratkaistu esimerkki
Natriumpintaa osuva fotoni kantaa 3.1 eV energiaa. Natriumin irtoamistyö on 2.1 eV. Mikä irtoavan elektronin maksimiliike-energia on?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Testaa itseäsi
Nyt valonlähde vaihdetaan korkeamman taajuuden lähdesse, joka toimittaa fotoneja 3.6 eV energialla samaan natriumpintaan (irtoamistyö edelleen 2.1 eV). Mikä uusi maksimiliike-energia on?
- 5.7 eV
- Oikea vastaus: 1.5 eV
- 1.0 eV
Kyllä! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Oleta, että fotonin energia hf on pienempi kuin metallin irtoamistyö φ. Mitä tapahtuu?
- Elektroni irtoaa mutta hitaampana
- Elektroni irtoaa negatiivisella liike-energialla
- Oikea vastaus: Mikään elektroni ei pakene lainkaan
Oikein – irtoamistyön alapuolella yksi fotoni ei voi toimittaa tarpeeksi energiaa, joten mikään elektroni ei pakene riippumatta siitä, kuinka kirkas valo on.
Missä tätä näkee
Aurinkopaneeli katolla on tämä vaikutus elävänä: auringonvalon fotonit osuvat piihin, kukin irrottaen enintään yhden elektronin, ja ne vapaat elektronit virtaavat ulos virrana. Hämäräanturiset katuvalot ja vanhat fotokenno-ovet toimivat samalla fotoni-per-elektroni-kaupalla.
Yleiset virheet
Klassinen virhe on, että kirkkaampi valon pitäisi singouttaa elektronit ulos kovemmin – intensiteetti tuottaa vain ENEMMÄN elektroneja; kunkin energia riippuu fotonin taajuudesta yksinään kaavan KEₘₐₓ = h · f − φ kautta. Ja kynnyksen alapuolella mitään ei tapahdu, riippumatta siitä, kuinka kirkas säde on: liike-energia ei voi olla negatiivinen, joten jos hf on pienempi kuin irtoamistyö φ, mikään elektroni ei lähde lainkaan. Kynnyksen yläpuolella vähennä: 3.6 eV fotonit natriumilla (φ = 2.1 eV) irrottavat elektroneja arvolla 1.5 eV.
Miten tämä kytkeytyy
Tämä on klassisen fysiikan perustava halkeama – valo käyttäytyvänä hiukkasina – ja ovi koko modernin fysiikan moduuliin: Comptonin siroama, seuraavaksi, osoittaa, että ne fotonit kantavat liikemäärää kuin biljardipallot, ja aalto–hiukkasdualismi, joka päättyy aineaaltoihin, alkaa juuri tästä.