Fotoelektrični pojav
Posveti svetlobo na kovinsko površino in ob pravih pogojih bo izvrgla elektrone — trmasto čuden rezultat, odkar ga je poskušala razložiti klasična fizika. Valovna teorija devetnajstega stoletja je napovedovala, da bi šibkejša svetloba morala elektrone vseeno izvreči, le počasneje, če bi imela dovolj časa za zbiranje energije. Pravi poskusi so pokazali nasprotno: pod ostro mejno frekvencno nobena količina jakosti ali čakanja ne proizvede niti enega elektrona, medtem ko najšibkejša svetloba nad to frekvenco elektrone izvrže takoj. Einsteinova razlaga iz leta 1905 — da svetloba sama prispe v diskretnih paketih energije, pozneje imenovanih fotoni — je uganko rešila in postala eden od ustanovnih rezultatov kvantne mehanike, za kar je leta 1921 prejel Nobelovo nagrado za fiziko.
Svetloba ne zadene kovine kot gladek val — prispe v drobnih sunkih, imenovanih fotoni, vsak nosi fiksno količino energije. Elektron uide le, če je energija enega samega fotona vsaj tako velika kot izstopno delo kovine — energija, ki običajno drži elektron na mestu. Kar energije ostane, postane kinetična energija elektrona, ko odleti.
Formula
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — največja kinetična energija (eV): največja energija, ki jo izsevani elektron odnese
- h — Planckova konstanta (eV·s): drobna konstanta, ki povezuje frekvenco fotona z njegovo energijo
- f — frekvenca (Hz): koliko svetlobnih valov prispe vsako sekundo
- φ — izstopno delo (eV): najmanjša energija, potrebna, da se elektron sprosti iz kovine
Rešen primer
Foton, ki zadene natrijevo površino, nosi 3.1 eV energije. Izstopno delo natrija je 2.1 eV. Katera je največja kinetična energija izsevanega elektrona?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
Preizkusi se
Sedaj je svetlobni vir zamenjan za tistega z višjo frekvenco, ki dostavi fotone s 3.6 eV energije na isto natrijevo površino (izstopno delo še vedno 2.1 eV). Katera je nova največja kinetična energija?
- 5.7 eV
- Pravilen odgovor: 1.5 eV
- 1.0 eV
Da! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
Predpostavi, da je energija fotona hf manjša od izstopnega dela kovine φ. Kaj se zgodi?
- Elektron je izsevan, a počasnejši
- Elektron je izsevan z negativno kinetično energijo
- Pravilen odgovor: Noben elektron sploh ne uide
Prav — pod izstopnim delom en sam foton ne more dostaviti dovolj energije, zato noben elektron ne uide, ne glede na to, kako svetla je svetloba.
Kje to vidiš
Solarna plošča na strehi je ta pojav pri delu: fotoni sončne svetlobe zadenejo silicij, vsak izbije največ en elektron, in ti osvobojeni elektroni stečejo ven kot tok. Ulične svetilke, ki čutijo mrak, in stara fotocelična vrata tečejo na isti menjavi foton-za-elektron.
Pogoste napake
Klasična napaka je, da bi svetlejša svetloba morala elektrone izvrgniti močneje — jakost le proizvede VEČ elektronov; energija vsakega je odvisna samo od frekvence fotona, skozi KEₘₐₓ = h · f − φ. In pod pragom se nič ne zgodi, ne glede na to, kako svetel je žarek: kinetična energija ne more biti negativna, torej če je hf manjši od izstopnega dela φ, noben elektron ne odide. Nad pragom odštej: fotoni 3.6 eV na natrij (φ = 2.1 eV) izsevajo elektrone z 1.5 eV.
Kako se povezuje
To je ustanovna razpoka v klasični fiziki — svetloba, ki se obnaša kot delci — in vrata v ves modul moderne fizike: Comptonovo sipanje, ki sledi, pokaže, da ti fotoni nosijo gibalno količino kot biljardne krogle, in valovno-delčni dualizem, ki se konča v snovnih valovih, se začne prav tu.