A fényelektromos jelenség
Fényt vetünk egy félfelületre, és megfelelő körülmények között az elektronokat kirepíti belőle — ami makacsul furcsa eredmény volt, amíg a klasszikus fizika megpróbálta megmagyarázni. A XIX. századi hullámelmélet szerint halványabb fénynek is ki kellene löknie az elektronokat, csak lassabban, ha van elég ideje energiát gyűjteni. A valódi kísérletek az ellenkezőjét mutatták: egy éles küszöbfrekvencia alatt semmilyen intenzitás vagy várakozás nem vált ki egyetlen elektront sem, miközben e feletti frekvencián már a leggyengébb fény is azonnal kivált elektronokat. Einstein 1905-ös magyarázata — hogy maga a fény diszkrét energiaadagokban érkezik, amelyeket később fotonoknak neveztek — megoldotta a rejtvényt, és a kvantummechanika egyik alapító eredménye lett, amiért 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott.
A fény nem sima hullámként érkezik egy fémhez — apró csomagokban, fotonokban érkezik, mindegyik rögzített energiamennyiséget hordozva. Egy elektron csak akkor szabadul ki, ha egyetlen foton energiája legalább akkora, mint a fém kilépési munkája — az az energia, amely normálisan a helyén tartja az elektront. Ami energia megmarad, az az elektron mozgási energiája lesz, ahogy elrepül.
A képlet
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — maximális mozgási energia (eV): a legnagyobb energia, amit egy kilépő elektron elvisz
- h — Planck-állandó (eV·s): apró állandó, amely a foton frekvenciáját az energiájához köti
- f — frekvencia (Hz): hány fényhullám érkezik másodpercenként
- φ — kilépési munka (eV): a minimális energia, hogy egy elektront kiszabadítsunk a fémből
Megoldott példa
Egy nátriumfelületre csapódó foton 3.1 eV energiát hordoz. A nátrium kilépési munkája 2.1 eV. Mekkora egy kilépő elektron maximális mozgási energiája?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Teszteld magad
Most a fényforrást magasabb frekvenciájúra cserélik, amely 3.6 eV energiájú fotonokat szállít ugyanarra a nátriumfelületre (a kilépési munka továbbra is 2.1 eV). Mekkora az új maximális mozgási energia?
- 5.7 eV
- Helyes válasz: 1.5 eV
- 1.0 eV
Igen! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Tegyük fel, hogy a foton hf energiája kisebb, mint a fém φ kilépési munkája. Mi történik?
- Az elektron kilép, de lassabban
- Az elektron negatív mozgási energiával lép ki
- Helyes válasz: Egyetlen elektron sem szabadul ki
Helyes — a kilépési munka alatt egyetlen foton sem tud elég energiát szolgáltatni, így egyetlen elektron sem szabadul ki, bármilyen erős a fény.
Hol találkozol vele
Egy háztetőn lévő napelem ez a hatás munkában: a napfény fotonjai a szilíciumba csapódnak, mindegyik legfeljebb egy elektront lök ki, és ezek a felszabadult elektronok áramként folynak ki. A szürkületérzékelő utcai lámpák és a régi fotocellás ajtók ugyanezt a foton-elektron kereskedést futtatják.
Gyakori hibák
A klasszikus hiba az, hogy a fényesebb fénynek erősebben kellene kilöknie az elektronokat — az intenzitás csak TÖBB elektront termel; mindegyikük energiája kizárólag a foton frekvenciájától függ, a KEₘₐₓ = h · f − φ szerint. És a küszöb alatt semmi sem történik, bármilyen fényes is a sugár: a mozgási energia nem lehet negatív, tehát ha hf kisebb, mint a φ kilépési munka, egyáltalán nem távozik elektron. A küszöb fölött vonj ki: nátriumon (φ = 2,1 eV) 3,6 eV-os fotonok 1,5 eV-os elektronokat lökenek ki.
Hogyan kapcsolódik
Ez a klasszikus fizika alapvető repedése — a fény részecskeként viselkedik —, és a kapu az egész modern fizika modulhoz: a Compton-szórás, a következő lecke, megmutatja, hogy ezek a fotonok impulzust hordoznak, mint biliárdgolyók, és a hullám-részecske dualitás, amely az anyaghullámokban végződik, pontosan itt kezdődik.