L-Effett Fotoelettriku
Xemmex dawl fuq wiċċ tal-metall u, taħt il-kundizzjonijiet tajbin, se joħroġ elettroni — riżultat stramb ħafna meta l-fiżika klassika ippruvat tispjegah. It-teorija tal-mewġ tas-seklu dsatax kienet tbassar li dawl inqas qawwi xorta waħad joħroġ elettroni, imma aktar bil-mod, jekk jingħata żmien biżżejjed biex jinġabar l-enerġija. L-esperimenti reali urew l-oppost: taħt frekwenza tas-sogra tqila, l-ebda intensità jew stennija ma tipproduċi elettron wieħed, filwaqt li anke l-iktar dawl dgħjif fuq dik il-frekwenza joħroġ elettroni mill-ewwel. L-ispjegazzjoni ta’ Einstein fl-1905 — li dawl innifsu jasal f’pakketti distinti ta’ enerġija, msejħa aktar tard fotoni — solva l-misteru u saret wieħed mir-riżultati fundamentali tal-mekkanika kwantistika, għalih rebaħ il-Premju Nobel għall-Fiżika fl-1921.
Dawl ma jiltaqax ma’ metall bħala mewġa lixxa — jasal f’infjarażjonijiet żgħar msejħa fotoni, kull wieħed iġorr ammont fiss ta’ enerġija. Elettron jaħrab biss jekk l-enerġija ta’ foton wieħed tkun mill-inqas daqs il-funzjoni ta’ ħidma tal-metall, l-enerġija li normalment iżżomm l-elettron f’postu. Kwalunkwe enerġija li fadal issir l-enerġija ċinetika ta’ l-elettron hekk kif jtir ’l barra.
Il-formula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — enerġija ċinetika massima (eV): l-akbar enerġija li elettron maqtugħ iġorr ’l barra
- h — kostanti ta’ Planck (eV·s): kostanti żgħira tgħaqqad il-frekwenza ta’ foton mal-enerġija tiegħu
- f — frekwenza (Hz): kemm mewġ tad-dawl jilħqu kull sekonda
- φ — funzjoni ta’ ħidma (eV): inqas enerġija meħtieġa biex tinġbed elettron ħieles mill-metall
Eżempju maħdum
Foton jiltaqa’ ma’ wiċċ tas-sodju jġorr 3.1 eV ta’ enerġija. Il-funzjoni ta’ ħidma tas-sodju hi 2.1 eV. X’hi l-enerġija ċinetika massima ta’ elettron maqtugħ?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Itestja lilek innifsek
Issa s-sors tad-dawl jinbidel ma’ wieħed b’frekwenza ogħla, u jitfa’ fotoni b’3.6 eV ta’ enerġija fuq l-istess wiċċ tas-sodju (funzjoni ta’ ħidma xorta 2.1 eV). X’hi l-enerġija ċinetika massima l-ġdida?
- 5.7 eV
- It-tweġiba t-tajba: 1.5 eV
- 1.0 eV
Iva! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Supponi li l-enerġija tal-foton hf hi inqas mil-funzjoni ta’ ħidma φ tal-metall. X’se jiġri?
- L-elettron jiġi maqtugħ imma aktar bil-mod
- L-elettron jiġi maqtugħ b’enerġija ċinetika negattiva
- It-tweġiba t-tajba: L-ebda elettron ma jaħrab xejn
Tajjeb — taħt il-funzjoni ta’ ħidma, foton wieħed ma jistax jiforni biżżejjed enerġija, għalhekk l-ebda elettron ma jaħrab kwalunkwe kemm id-dawl ikun imdawwal.
Fejn tara dan
Pannell solari fuq saqaf hu dan l-effett jaħdem għall-ħajja: fotoni ta’ dawl tax-xemx jiltaqgħu mas-silikon, kull wieħed jħoss l-iktar elettron wieħed ħieles, u dawk l-elettroni ħielsa joħorġu bħala kurrent. Lampi tat-triq sensittivi għall-għabien u bibien antiki ta’ ċellula fotoelettrika jaħdmu fuq l-istess kambju ta’ foton għal elettron.
Żbalji komuni
L-iżball klassiku hu li dawl aktar imdawwal għandu jitfa’ l-elettroni b’qawwa akbar — intensità tipproduċi biss AKTAR elettroni; l-enerġija ta’ kull wieħed tiddependi biss mill-frekwenza tal-foton, permezz ta’ KEₘₐₓ = h · f − φ. U taħt is-sogra xejn ma jiġri, kwalunkwe kemm ir-raġġ ikun imdawwal: enerġija ċinetika ma tistax tkun negattiva, għalhekk jekk hf hu inqas mil-funzjoni ta’ ħidma φ, l-ebda elettron ma jitlaq xejn. Fuq is-sogra, naqqas: fotoni ta’ 3.6 eV fuq sodju (φ = 2.1 eV) joħorġu elettroni b’1.5 eV.
Kif jinqabad
Din hi l-ixkupa fundatriċi fil-fiżika klassika — dawl jiġi bħal partiċelli — u l-bieb għall-modulu ta’ fiżika moderna kollu: tixrid ta’ Compton, li jmiss, jurik dawk il-fotoni jġorru momentum bħal balal tal-biljard, u d-dwalità mewġa-partiċella li tispiċċa f’mewġ tal-materja tibda hawn eżatt.