Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

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.

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.