Kesan Fotoelektrik
Sinari cahaya pada permukaan logam dan, dalam keadaan yang betul, ia akan melontar keluar elektron -- hasil yang aneh dan degil apabila fizik klasik cuba menerangkannya. Teori gelombang abad kesembilan belas meramalkan bahawa cahaya yang lebih malap tetap harus mengeluarkan elektron, hanya lebih perlahan, jika diberi masa yang cukup untuk mengumpulkan tenaga. Eksperimen sebenar menunjukkan sebaliknya: di bawah frekuensi pemutus yang tajam, tiada jumlah keamatan atau penantian menghasilkan satu pun elektron, manakala cahaya paling malap pun di atas frekuensi itu mengeluarkan elektron serta-merta. Penjelasan Einstein pada 1905 -- bahawa cahaya itu sendiri tiba dalam paket tenaga diskrit, kemudian dipanggil foton -- menyelesaikan teka-teki itu dan menjadi salah satu hasil pengasas mekanik kuantum, yang melayakinya menerima Hadiah Nobel Fizik 1921.
Cahaya tidak mengena logam sebagai gelombang licin -- ia tiba dalam letusan kecil yang dipanggil foton, setiap satu membawa jumlah tenaga tetap. Satu elektron terlepas hanya jika tenaga satu foton tunggal sekurang-kurangnya sebesar fungsi kerja logam itu, tenaga yang biasanya menahan elektron di tempatnya. Apa sahaja tenaga berlebihan menjadi tenaga kinetik elektron ketika ia terbang keluar.
Formula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — tenaga kinetik maksimum (eV): tenaga terbesar yang dibawa keluar oleh satu elektron terlontar
- h — Pemalar Planck (eV·s): pemalar kecil yang menghubungkan frekuensi foton dengan tenaganya
- f — frekuensi (Hz): berapa banyak gelombang cahaya tiba setiap saat
- φ — fungsi kerja (eV): tenaga minimum yang diperlukan untuk menarik satu elektron lepas daripada logam
Contoh penyelesaian
Satu foton mengena permukaan natrium membawa 3.1 eV tenaga. Fungsi kerja natrium ialah 2.1 eV. Berapakah tenaga kinetik maksimum satu elektron terlontar?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Uji diri anda
Kini sumber cahaya ditukar kepada yang berfrekuensi lebih tinggi, menghantar foton bertenaga 3.6 eV ke permukaan natrium yang sama (fungsi kerja masih 2.1 eV). Berapakah tenaga kinetik maksimum baharu?
- 5.7 eV
- Jawapan betul: 1.5 eV
- 1.0 eV
Ya! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Andaikan tenaga foton hf lebih kecil daripada fungsi kerja logam φ. Apa yang berlaku?
- Elektron terlontar tetapi lebih perlahan
- Elektron terlontar dengan tenaga kinetik negatif
- Jawapan betul: Tiada elektron terlepas langsung
Betul -- di bawah fungsi kerja, satu foton tunggal tidak boleh membekalkan cukup tenaga, jadi tiada elektron terlepas tidak kira betapa terang cahayanya.
Di mana anda melihat ini
Panel solar di atas bumbung ialah kesan ini bekerja untuk hidup: foton sinaran matahari mengena silikon, setiap satu melontarkan lepas paling banyak satu elektron, dan elektron-electron yang terbebas itu mengalir keluar sebagai arus. Lampu jalan penderia-senja dan pintu fotosel lama berjalan pada pertukaran satu-foton-satu-elektron yang sama.
Kesilapan biasa
Kesilapan klasik ialah cahaya lebih terang patut melontar elektron keluar lebih kuat -- keamatan hanya menghasilkan LEBIH BANYAK elektron; tenaga setiap satu bergantung pada frekuensi foton sahaja, melalui KEₘₐₓ = h · f − φ. Dan di bawah ambang tiada apa berlaku, tidak kira betapa terang alurannya: tenaga kinetik tidak boleh negatif, jadi jika hf kurang daripada fungsi kerja φ, tiada elektron keluar langsung. Di atas ambang, tolak: foton 3.6 eV pada natrium (φ = 2.1 eV) melontar elektron dengan 1.5 eV.
Bagaimana ia bersambung
Inilah retakan pengasas dalam fizik klasik -- cahaya berkelakuan seperti zarah -- dan pintu kepada keseluruhan modul fizik-moden: serakan Compton, seterusnya, menunjukkan foton-foton itu membawa momentum seperti bola biliar, dan dualiti gelombang-zarah yang berakhir dalam gelombang jirim bermula tepat di sini.