Den fotoelektriske effekten
Skinn lys på en metallflate, og under de rette betingelsene vil den slenge ut elektroner — et gjenstridig merkelig resultat da klassisk fysikk prøvde å forklare det. Bølgeteorien fra det nittende århundret forutså at svakere lys fortsatt skulle lose ut elektroner, bare tregere, gitt nok tid til å bygge opp energi. Ekte eksperimenter viste det motsatte: under en skarp grensefrekvens gir ingen mengde intensitet eller venting ett eneste elektron, mens selv det svakeste lyset over den frekvensen lose ut elektroner umiddelbart. Einsteins forklaring fra 1905 — at lyset selv ankommer i diskrete energipakker, senere kalt fotoner — løste gåten og ble ett av grunnresultatene i kvantemekanikken, som han vant Nobelprisen i fysikk for i 1921.
Lys treffer ikke et metall som en jevn bølge — det ankommer i bittesmå utbrudd kalt fotoner, som hver bærer en fast mengde energi. Et elektron unnslipper bare hvis et enkelt foton sin energi er minst like stor som metallens arbeidsfunksjon, energien som normalt holder elektronet på plass. Uansett energi som er til overs, blir den kinetiske energien til elektronet etter hvert som det flyr av gårde.
Formelen
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — maksimal kinetisk energi (eV): den største energien et utløste elektron bærer bort
- h — Plancks konstant (eV·s): bitteliten konstant som knytter et foton sin frekvens til energien dets
- f — frekvens (Hz): hvor mange lysbølger som ankommer hvert sekund
- φ — arbeidsfunksjon (eV): minimumsenergi som trengs for å trekke et elektron fri fra metallet
Utarbeidet eksempel
Et foton som treffer en natriumflate bærer 3,1 eV energi. Natriums arbeidsfunksjon er 2,1 eV. Hva er den maksimale kinetiske energien til et utløste elektron?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Test deg selv
Nå byttes lyskilden ut med én med høyere frekvens, som leverer fotoner med 3,6 eV energi til den samme natriumflaten (arbeidsfunksjonen er fortsatt 2,1 eV). Hva er den nye maksimale kinetiske energien?
- 5.7 eV
- Riktig svar: 1.5 eV
- 1.0 eV
Ja! KEₘₐₓ = 3,6 eV − 2,1 eV = 1,5 eV.
Anta at fotonets energi hf er mindre enn metallens arbeidsfunksjon φ. Hva skjer?
- Elektronet loses ut, men saktere
- Elektronet loses ut med negativ kinetisk energi
- Riktig svar: Ingen elektron unnslipper i det hele tatt
Riktig — under arbeidsfunksjonen kan et enkelt foton ikke levere nok energi, så ingen elektron unnslipper uansett hvor lyst lyset er.
Der du ser dette
Et solcellepanel på et tak er denne effekten i drift: sollysets fotoner trenger silisiumet, og hvert av dem løsner høyst ett elektron, og de frigjorte elektronene flyter ut som strøm. Duskfølsomme gatelys og gamle fotocelle-dører drives av den samme foton-per-elektron-handelen.
Vanlige feil
Den klassiske feilen er at lysere lys skulle lose ut elektroner hardere — intensitet produserer bare FLERE elektroner; energien til hvert av dem avhenger av fotonets frekvens alene, gjennom KEₘₐₓ = h · f − φ. Og under terskelen skjer ingenting, uansett hvor lys strålen er: kinetisk energi kan ikke være negativ, så hvis hf er mindre enn arbeidsfunksjonen φ, forlater ingen elektron i det hele tatt. Over terskelen, trekk fra: fotoner på 3,6 eV mot natrium (φ = 2,1 eV) lose ut elektroner med 1,5 eV.
Hvordan det henger sammen
Dette er grunnsprekken i klassisk fysikk — lys som oppfører seg som partikler — og døren til hele moderne fysikk-modulen: Compton-spredning, neste, viser at disse fotonene bærer bevegelsesmengde som biljardkuler, og bølge-partikkel-dualiteten som ender i stoffbølger starter akkurat her.