Efectul fotoelectric are loc atunci când materia emite electroni la expunerea la radiații electromagnetice, cum ar fi fotonii de lumină. Iată mai detaliat care este efectul fotoelectric și cum funcționează.
Prezentare generală a efectului fotoelectric
Efectul fotoelectric este studiat parțial deoarece poate fi o introducere în dualitatea undă-particule și mecanica cuantică.
Când o suprafață este expusă unei energii electromagnetice suficient de energice, lumina va fi absorbită și vor fi emiți electroni. Frecvența pragului este diferită pentru diferite materiale. Este lumina vizibila pentru metale alcaline, lumina aproape ultravioletă pentru alte metale și radiații ultraviolete extreme pentru nemetale. Efectul fotoelectric apare cu fotonii care au energii de la câțiva electroniți la peste 1 MeV. La energiile cu fotoni mari, comparabile cu energia de repaus de electroni de 511 keV, se poate produce împrăștiere Compton, producția pereche poate avea loc la energii de peste 1.022 MeV.
Einstein a propus că lumina constă în quanta, pe care o numim fotoni. El a sugerat că energia din fiecare cuant de lumină era egală cu frecvența înmulțită cu o constantă (constanta lui Planck) și că fotonul cu o frecvență peste un anumit prag ar avea suficientă energie pentru a expulza un singur electron, producând fotoelectric efect. Se dovedește că lumina nu trebuie cuantificată pentru a explica efectul fotoelectric, dar unele manuale persistă în a spune că efectul fotoelectric demonstrează natura particulelor ușoară.
Ecuațiile lui Einstein pentru efectul fotoelectric
Interpretarea lui Einstein a efectului fotoelectric are ca rezultat ecuații valabile pentru vizibile și lumină ultravioletă:
energia fotonului = energia necesară pentru a elimina un electron + energia cinetică a electronului emis
hν = W + E
Unde
h este constanta lui Planck
ν este frecvența incidentului foton
W este funcția de lucru, care este energia minimă necesară pentru a elimina un electron de la suprafața unui metal dat: hν0
E este maximul energie kinetică de electroni expulzați: 1/2 mv2
ν0 este frecvența prag pentru efectul fotoelectric
m este masa de rest a electronului evacuat
v este viteza electronului evacuat
Nu se va emite niciun electron dacă energia fotonului incident este mai mică decât funcția de lucru.
Punerea în aplicare Teoria specială a relativității a lui Einstein, relația dintre energia (E) și impulsul (p) al unei particule este
E = [(buc)2 + (mc2)2](1/2)
unde m este masa de rest a particulei și c este viteza luminii într-un vid.
Caracteristici cheie ale efectului fotoelectric
- Viteza cu care sunt expulzați fotoelectronii este direct proporțională cu intensitatea luminii incidente, pentru o frecvență dată de radiații incidente și metal.
- Timpul dintre incidența și emisia unui fotoelectron este foarte mic, sub 10–9 al doilea.
- Pentru un metal dat, există o frecvență minimă de radiații incidente sub care nu se va produce efectul fotoelectric, deci nu se pot emite fotoelectroni (frecvența pragului).
- Peste frecvența pragului, energia cinetică maximă a fotoelectronului emis depinde de frecvența radiației incidente, dar este independentă de intensitatea acesteia.
- Dacă lumina incidentă este polarizată liniar, atunci distribuția direcțională a electronilor emiși va atinge un vârf în direcția de polarizare (direcția câmpului electric).
Compararea efectului fotoelectric cu alte interacțiuni
Când lumina și materia interacționează, sunt posibile mai multe procese, în funcție de energia radiațiilor incidente. Efectul fotoelectric rezultă din lumina redusă cu energie. Mid-energia poate produce împrăștiere și Thomson Împrastierea Compton. Lumina de mare energie poate provoca producția de perechi.