Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ένα φαινόμενο της φυσικής. Το φαινόμενο βασίζεται στην ιδέα ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από μια σειρά σωματιδίων που ονομάζονται φωτόνια. Όταν ένα φωτόνιο προσκρούει σε ένα ηλεκτρόνιο σε μια μεταλλική επιφάνεια, το ηλεκτρόνιο μπορεί να εκπέμψει. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια. Το φαινόμενο ονομάζεται επίσης φαινόμενο Hertz, επειδή ανακαλύφθηκε από τον Heinrich Rudolf Hertz, αλλά αυτή η ονομασία δεν χρησιμοποιείται συχνά. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο βοήθησε τους φυσικούς να κατανοήσουν την κβαντική φύση του φωτός και των ηλεκτρονίων. Η έννοια του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού αναπτύχθηκε εξαιτίας του φωτοηλεκτρικού φαινομένου. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1921.
Ένα διάγραμμα που δείχνει πώς εκπέμπονται τα ηλεκτρόνια από μια μεταλλική πλάκα
Μηχανισμός
Όχι κάθε ηλεκτρομαγνητικό κύμα προκαλεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, αλλά μόνο ακτινοβολία συγκεκριμένης συχνότητας ή υψηλότερης προκαλεί το φαινόμενο. Η ελάχιστη απαιτούμενη συχνότητα ονομάζεται "συχνότητα αποκοπής" ή "συχνότητα κατωφλίου". Η συχνότητα αποκοπής χρησιμοποιείται για την εύρεση της συνάρτησης έργου, w {\displaystyle w} 
, η οποία είναι η ποσότητα ενέργειας που συγκρατεί το ηλεκτρόνιο στην επιφάνεια του μετάλλου. Η συνάρτηση έργου είναι μια ιδιότητα του μετάλλου και δεν επηρεάζεται από την εισερχόμενη ακτινοβολία. Εάν μια συχνότητα φωτός προσπέσει στη μεταλλική επιφάνεια που είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα αποκοπής, τότε το εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο θα έχει κάποια κινητική ενέργεια.
Η ενέργεια ενός φωτονίου που προκαλεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο βρίσκεται μέσω της σχέσης E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} 
, όπου h {\displaystyle h}
είναι η σταθερά του Planck, 6,626×10 −34J-s, f {\displaystyle f}
είναι η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, K E {\displaystyle KE}
είναι η κινητική ενέργεια του φωτοηλεκτρονίου και w {\displaystyle w} είναι η συνάρτηση έργου για το μέταλλο. Εάν το φωτόνιο έχει μεγάλη ενέργεια, μπορεί να λάβει χώρα σκέδαση Compton (~ χιλιάδες eV) ή παραγωγή ζεύγους (~ εκατομμύρια eV).
Η ένταση του φωτός από μόνη της δεν προκαλεί εκτίναξη ηλεκτρονίων. Μόνο το φως της συχνότητας αποκοπής ή υψηλότερης συχνότητας μπορεί να το κάνει αυτό. Ωστόσο, η αύξηση της έντασης του φωτός θα αυξήσει τον αριθμό των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται, εφόσον η συχνότητα είναι πάνω από τη συχνότητα αποκοπής.
Ιστορία
Ο Heinrich Hertz έκανε την πρώτη παρατήρηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου το 1887. Ανέφερε ότι ένας σπινθήρας μεταπηδούσε ευκολότερα μεταξύ δύο φορτισμένων σφαιρών, αν έπεφτε πάνω τους φως. Πραγματοποιήθηκαν περαιτέρω μελέτες για να μάθει κανείς για το φαινόμενο που παρατήρησε ο Hertz. Το 1902, ο Philipp Lenard έδειξε ότι η κινητική ενέργεια ενός φωτοηλεκτρονίου δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός. Ωστόσο, μόλις το 1905 ο Αϊνστάιν πρότεινε μια θεωρία που εξηγούσε πλήρως το φαινόμενο. Η θεωρία λέει ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι μια σειρά από σωματίδια, που ονομάζονται φωτόνια. Τα φωτόνια συγκρούονται με τα ηλεκτρόνια στην επιφάνεια και τα εκπέμπουν. Η θεωρία αυτή προσέκρουε στην πεποίθηση ότι η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία ήταν κύμα. Έτσι, στην αρχή δεν αναγνωρίστηκε ως σωστή. Το 1916, ο Robert Millikan δημοσίευσε τα αποτελέσματα πειραμάτων με τη χρήση ενός φωτοσωλήνα κενού. Η εργασία του έδειξε ότι η φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν εξηγούσε τη συμπεριφορά με μεγάλη ακρίβεια. Ωστόσο, ο Millikan και άλλοι επιστήμονες άργησαν να αποδεχθούν τη θεωρία του Αϊνστάιν για τα κβάντα του φωτός. Η κυματική θεωρία της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας του Μάξγουελ δεν μπορεί να εξηγήσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και την ακτινοβολία μέλανος σώματος. Αυτά εξηγούνται από την κβαντομηχανική.
Ερωτήσεις και απαντήσεις
Ερ: Τι είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
A: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι ένα φαινόμενο στη φυσική όπου η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία αποτελείται από σωματίδια που ονομάζονται φωτόνια και όταν αυτά προσκρούουν σε ηλεκτρόνια σε μια μεταλλική επιφάνεια, το ηλεκτρόνιο μπορεί να εκπέμψει, σχηματίζοντας φωτοηλεκτρόνια.
Ερ: Ποιος ανακάλυψε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
Α: Ο Heinrich Rudolf Hertz ανακάλυψε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.
Ερ: Γιατί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ονομάζεται επίσης φαινόμενο Χερτζ;
Α: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ονομάζεται επίσης φαινόμενο Hertz επειδή ανακαλύφθηκε από τον Heinrich Rudolf Hertz.
Ερ: Τι είναι ο δυϊσμός κύματος-σωματιδίου;
Α: Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός είναι μια έννοια που αναπτύχθηκε λόγω του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, το οποίο βοήθησε τους φυσικούς να κατανοήσουν την κβαντική φύση του φωτός και των ηλεκτρονίων.
Ερ: Ποιος πρότεινε τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου;
Α: Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε τους νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου.
Ερ: Ποια ήταν η συμβολή του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στη φυσική;
Α: Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο βοήθησε τους φυσικούς να κατανοήσουν την κβαντική φύση του φωτός και των ηλεκτρονίων, αναπτύσσοντας την έννοια του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού, και συνέβαλε στους Νόμους του φωτοηλεκτρικού φαινομένου που πρότεινε ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος κέρδισε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1921.
Ερ: Πώς ονομάζονται τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
Α: Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται από τη μεταλλική επιφάνεια στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια.
