Fotoefektas
Apšviesk metalo paviršių ir tam tikromis sąlygomis jis išsvies elektronus — rezultatas, kurį klasikinei fizikai bandant paaiškinti atrodė užsispyrusiai keistai. Devynioliktojo amžiaus bangų teorija numatė, kad ir blausesnė šviesa turėtų išmušti elektronus, tik lėčiau, jei duodama pakankamai laiko susikaupti energijai. Realūs eksperimentai rodė priešingai: žemiau aštrios atkirties dažnio joks intensyvumas ar laukimas neišmuša nė vieno elektrono, o net silpniausia šviesa virš šio dažnio išmuša elektronus akimirksniu. Einšteino 1905 m. paaiškinimas — kad šviesa pati atkeliauja atskiromis energijos porcijomis, vėliau pavadintomis fotonais — išsprendė šį galvosūkį ir tapo vienu iš kvantinės mechanikos pamatų, už kurį jis gavo 1921 m. Nobelio fizikos premiją.
Šviesa nepaliečia metalo kaip sklandi banga — ji atvyksta mažyčiais pliupsniais, vadinamais fotonais, kiekvienas nešdamas fiksuotą energijos kiekį. Elektronas pabėga tik jei vieno fotono energija yra bent tokia didelė kaip metalo išlaisvinimo darbas — energija, kuri paprastai laiko elektroną vietoje. Kas lieka, tampa elektrono kinetine energija jam išskriejant.
Formulė
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — didžiausioji kinetinė energija (eV): didžiausia energija, kurią išmuštas elektronas nusineša
- h — Planko konstanta (eV·s): mažytė konstanta, siejanti fotono dažnį su jo energija
- f — dažnis (Hz): kiek šviesos bangų atvyksta kiekvieną sekundę
- φ — išlaisvinimo darbas (eV): mažiausia energija, reikalinga elektronui ištraukti laisvą iš metalo
Išnagrinėtas pavyzdys
Fotonas, trenkiąs į natrio paviršių, neša 3.1 eV energijos. Natrio išlaisvinimo darbas yra 2.1 eV. Kokia didžiausioji išmušto elektrono kinetinė energija?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Pasitikrink
Dabar šviesos šaltinis pakeičiamas į aukštesnio dažnio, pristatantį 3.6 eV energijos fotonus tam pačiam natrio paviršiui (išlaisvinimo darbas vis dar 2.1 eV). Kokia naujoji didžiausioji kinetinė energija?
- 5.7 eV
- Teisingas atsakymas: 1.5 eV
- 1.0 eV
Taip! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Tarkim, fotono energija hf yra mažesnė už metalo išlaisvinimo darbą φ. Kas atsitinka?
- Elektronas išmušamas, bet lėtesnis
- Elektronas išmušamas su neigiama kinetine energija
- Teisingas atsakymas: Joks elektronas apskritai nepabėga
Teisingai — žemiau išlaisvinimo darbo vienas fotonas negali tiekti pakankamai energijos, tad joks elektronas nepabėga, kad ir kokia ryški būtų šviesa.
Kur tai matai
Saulės skydelis ant stogo yra šis efektas, dirbantis pragyvenimui: saulės šviesos fotonai trenkiasi į silicį, kiekvienas išmušdamas daugiausiai vieną elektroną, ir tie išlaisvinti elektronai teka laukan kaip srovė. Priklydę gatvės žibintai ir senos fotocelinių durys veikia tame pačiame fotonas- už-elektroną mainyme.
Dažnos klaidos
Klasikinė klaida — kad ryškesnė šviesa turėtų išsviesti elektronus stipriau — intensyvumas tik gamina DAUGIAU elektronų; kiekvieno energija priklauso vien nuo fotono dažnio, per KEₘₐₓ = h · f − φ. Ir žemiau ribos nieko neatsitinka, kad ir kokia ryški būtų pluoštas: kinetinė energija negali būti neigiama, tad jei hf mažesnis už išlaisvinimo darbą φ, joks elektronas neišeina apskritai. Virš ribos — atimk: 3.6 eV fotonai ant natrio (φ = 2.1 eV) išmuša elektronus su 1.5 eV.
Kaip tai siejasi
Tai steigiamasis įtrūkis klasikinėje fizikoje — šviesa elgiasi kaip dalelės — ir durys į visą moderniosios fizikos modulį: Komptono sklaida, toliau, rodo, kad tie fotonai neša judesio kiekį kaip biliardo kamuoliai, o bangos-dalelės dualizmas, baigiantis medžiagos bangomis, prasideda būtent čia.