Efectul fotoelectric
Razezi lumină asupra unei suprafețe metalice și, în condițiile potrivite, va smulge electroni — un rezultat încăpățânat de ciudat cât timp fizica clasică a încercat să-l explice. Teoria ondulatorie din secolul al XIX-lea prezicea că lumina mai slabă ar trebui totuși să smulgă electroni, doar mai încet, dacă are suficient timp să acumuleze energie. Experimentele reale au arătat contrariul: sub o frecvență de prag netă, nicio intensitate și nicio așteptare nu produce un singur electron, în timp ce chiar și cea mai slabă lumină peste acea frecvență smulge electroni instantaneu. Explicația lui Einstein din 1905 — că lumina însăși sosește în pachete discrete de energie, numite mai târziu fotoni — a rezolvat enigma și a devenit unul dintre rezultatele fondatoare ale mecanicii cuantice, pentru care a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1921.
Lumina nu lovește un metal ca o undă netedă — sosește în explozii minuscule numite fotoni, fiecare purtând o cantitate fixă de energie. Un electron evadează doar dacă energia unui singur foton este cel puțin cât funcția de lucru a metalului, energia care îl ține normal pe electron în loc. Orice energie rămasă devine energia cinetică a electronului pe măsură ce zboară.
Formula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — energia cinetică maximă (eV): cea mai mare energie pe care un electron smuls o poartă cu el
- h — constanta lui Planck (eV·s): constantă minusculă care leagă frecvența fotonului de energia lui
- f — frecvența (Hz): câte unde de lumină sosesc în fiecare secundă
- φ — funcția de lucru (eV): energia minimă necesară pentru a smulge un electron din metal
Exemplu rezolvat
Un foton care lovește o suprafață de sodiu poartă 3.1 eV de energie. Funcția de lucru a sodiului este 2.1 eV. Care este energia cinetică maximă a unui electron smuls?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Testează-te
Acum sursa de lumină este schimbată cu una cu frecvență mai mare, care livrează fotoni cu 3.6 eV pe aceeași suprafață de sodiu (funcția de lucru în continuare 2.1 eV). Care este noua energie cinetică maximă?
- 5.7 eV
- Răspuns corect: 1.5 eV
- 1.0 eV
Da! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Să presupunem că energia fotonului hf este mai mică decât funcția de lucru φ a metalului. Ce se întâmplă?
- Electronul este smuls, dar mai lent
- Electronul este smuls cu energie cinetică negativă
- Răspuns corect: Niciun electron nu evadează deloc
Corect — sub funcția de lucru, un singur foton nu poate furniza suficientă energie, deci niciun electron nu evadează, oricât de intensă e lumina.
Unde vezi asta
Un panou solar de pe un acoperiș este acest efect muncind: fotonii luminii solare lovesc siliciul, fiecare desprinzând cel mult un electron, iar acei electroni eliberați curg în afară ca și curent. Becurile stradale sensibile la amurg și vechile uși cu celulă fotoelectrică funcționează pe același schimb foton-la-electron.
Greșeli frecvente
Eroarea clasică este că lumina mai puternică ar trebui să arunce electronii mai tare — intensitatea produce doar MAI MULȚI electroni; energia fiecăruia depinde doar de frecvența fotonului, prin KEₘₐₓ = h · f − φ. Iar sub prag nu se întâmplă nimic, oricât de puternic ar fi fasciculul: energia cinetică nu poate fi negativă, deci dacă hf este mai mică decât funcția de lucru φ, niciun electron nu pleacă deloc. Peste prag, se scade: fotoni de 3,6 eV pe sodiu (φ = 2,1 eV) eliberează electroni cu 1,5 eV.
Cum se leagă
Aceasta este fisura fondatoare în fizica clasică — lumina comportându-se ca particule — și ușa spre tot modulul de fizică modernă: împrăștierea Compton, următoarea, arată că acei fotoni poartă și impuls ca bilele de biliard, iar dualitatea undă-particulă care se termină la undele de materie începe chiar aici.