Fotoefekts
Pavirzi gaismu uz metāla virsmu, un pie pareiziem nosacījumiem tā izsviedīs elektronus — spītīgi dīvains rezultāts, kad klasiskā fizika mēģināja to izskaidrot. Deviņpadsmitā gadsimta viļņu teorija paredzēja, ka blāvāka gaisma tomēr izsviedīs elektronus, tikai lēnāk, ja dotu pietiekami daudz laika enerģijas uzkrāšanai. Īstie eksperimenti parādīja pretējo: zem asas robežfrekvences ne intensitāte, ne gaidīšana neražo nevienu vienīgu elektronu, turpretī pat vārākā gaisma virs šīs frekvences izsviež elektronus uzreiz. Einšteina 1905. gada skaidrojums — ka gaisma pati pienāk diskrētās enerģijas paketēs, vēlāk sauktās par fotoniem — atrisināja mīklu un kļuva par vienu no kvantu mehānikas pamatrezultātiem, par ko viņš saņēma 1921. gada Nobela prēmiju fizikā.
Gaisma netrāpa metālu kā gludu vilni — tā ierodas sīkos uzplaiksnījumos, ko sauc par fotoniem, katrs nesot fiksētu enerģijas daudzumu. Elektrons izbēg tikai tad, ja viena fotona enerģija ir vismaz tik liela kā metāla izejas darbs — enerģija, kas parasti tur elektronu vietā. Kas enerģijas paliek pāri, kļūst par elektrona kinētisko enerģiju, tam aizlaižoties.
Formula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — maksimālā kinētiskā enerģija (eV): lielākā enerģija, ko izsviestais elektrons aiznes
- h — Planka konstante (eV·s): sīka konstante, kas savieno fotona frekvenci ar tā enerģiju
- f — frekvence (Hz): cik daudz gaismas viļņu ierodas katru sekundi
- φ — izejas darbs (eV): minimālā enerģija, kas vajadzīga, lai izrautu elektronu no metāla
Izrēķināts piemērs
Fotons, trāpot nātrija virsmā, nes 3.1 eV enerģijas. Nātrija izejas darbs ir 2.1 eV. Kāda ir izsviestā elektrona maksimālā kinētiskā enerģija?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Pārbaudi sevi
Tagad gaismas avots tiek nomainīts pret avotu ar augstāku frekvenci, piegādājot fotonus ar 3.6 eV enerģijas tai pašai nātrija virsmai (izejas darbs joprojām 2.1 eV). Kāda ir jaunā maksimālā kinētiskā enerģija?
- 5.7 eV
- Pareizā atbilde: 1.5 eV
- 1.0 eV
Jā! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Pieņemsim, ka fotona enerģija hf ir mazāka par metāla izejas darbu φ. Kas notiek?
- Elektrons tiek izsviests, bet lēnāks
- Elektrons tiek izsviests ar negatīvu kinētisko enerģiju
- Pareizā atbilde: Neviens elektrons neizbēg vispār
Pareizi — zem izejas darba viens fotons nevar piegādāt pietiekami enerģijas, tāpēc neviens elektrons neizbēg, lai cik spilgta gaisma būtu.
Kur tu to redzi
Saules panelis uz jumta ir šis efekts, pelnīdams iztiku: saules gaismas fotoni trāpa silīcijam, katrs izsizdams vaļā ne vairāk kā vienu elektronu, un šie atbrīvotie elektroni plūst ārā kā strāva. Krēslu jūtošās ielu lampas un vecās fotoelementu durvis darbojas uz tā paša fotona-uz-elektronu maiņas.
Biežākās kļūdas
Klasiskā kļūda ir tā, ka spilgtāka gaisma izšautu elektronus stiprāk — intensitāte tikai rada VAIRĀK elektronu; katra enerģija atkarīga tikai no fotona frekvences, caur KEₘₐₓ = h · f − φ. Un zem robežas nekas nenotiek, lai cik spilgts starojums: kinētiskā enerģija nevar būt negatīva, tāpēc, ja hf ir mazāks par izejas darbu φ, neviens elektrons neaiziet nemaz. Virs robežas, atņem: 3.6 eV fotoni uz nātrija (φ = 2.1 eV) izsviež elektronu ar 1.5 eV.
Kā tas savienojas
Šī ir dibināšais plaisa klasiskajā fizikā — gaisma uzvedoties kā daļiņas — un durvis uz visu moderno fizikas moduli: Komptona izkliede, tālāk, rāda, ka šie fotoni nes kustības daudzumu kā biljarda bumbas, un viļņa—daļiņas duālisms, kas beidzas matērijas viļņos, sākas tieši šeit.