Foto-elektrisch effect elektronen uit materie en licht

Het foto-elektrisch effect treedt op wanneer materie elektronen uitzendt bij blootstelling aan elektromagnetische straling, zoals fotonen van licht. Hier is een nadere blik op wat het foto-elektrisch effect is en hoe het werkt.

Overzicht van het foto-elektrisch effect

Het foto-elektrisch effect wordt gedeeltelijk bestudeerd omdat het een inleiding kan zijn tot dualiteit van golfdeeltjes en kwantummechanica.

Wanneer een oppervlak wordt blootgesteld aan voldoende energetische elektromagnetische energie, wordt licht geabsorbeerd en worden elektronen uitgezonden. De drempelfrequentie is verschillend voor verschillende materialen. Het is zichtbaar licht voor alkalimetalen, bijna-ultraviolet licht voor andere metalen en extreem-ultraviolette straling voor niet-metalen. Het foto-elektrische effect treedt op bij fotonen met energieën van enkele elektronenvolten tot meer dan 1 MeV. Bij de hoge fotonenergieën die vergelijkbaar zijn met de elektronenrustenergie van 511 keV, kan Compton-verstrooiing optreden. Paarproductie kan plaatsvinden bij energieën hoger dan 1.022 MeV.

Einstein stelde voor dat licht uit kwanta bestond, die we fotonen noemen. Hij suggereerde dat de energie in elke hoeveelheid licht gelijk was aan de frequentie vermenigvuldigd met een constante (de constante van Planck) en dat een foton met een frequentie boven een bepaalde drempel voldoende energie zou hebben om een ​​enkel elektron uit te stoten, waardoor het foto-elektrisch effect ontstaat. Het blijkt dat licht niet hoeft te worden gekwantificeerd om het foto-elektrisch effect te verklaren, maar sommige studieboeken blijven volhouden dat het foto-elektrische effect de deeltjeskarakter van licht aantoont.

Einstein's vergelijkingen voor het foto-elektrisch effect

Einstein's interpretatie van het foto-elektrisch effect resulteert in vergelijkingen die geldig zijn voor zichtbaar en ultraviolet licht:

energie van foton = energie die nodig is om een ​​elektron + kinetische energie van het uitgezonden elektron te verwijderen

hν = W + E

waar
h is de constante van Planck
ν is de frequentie van het invallende foton
W is de werkfunctie, de minimale energie die nodig is om een ​​elektron van het oppervlak van een bepaald metaal te verwijderen: hν₀
E is de maximale kinetische energie van uitgeworpen elektronen: 1/2 mv²
ν₀ is de drempelfrequentie voor het foto-elektrisch effect
m is de restmassa van het uitgeworpen elektron
v is de snelheid van het uitgeworpen elektron

Er zal geen elektron worden uitgezonden als de energie van het invallende foton minder is dan de werkfunctie.

Met de speciale relativiteitstheorie van Einstein is de relatie tussen energie (E) en momentum (p) van een deeltje

E = [(pc)² + (mc²)²]^(02/01)

waarbij m de restmassa van het deeltje is en c de lichtsnelheid in een vacuüm is.

Belangrijkste kenmerken van het foto-elektrisch effect

• De snelheid waarmee foto-elektronen worden uitgestoten is recht evenredig met de intensiteit van het invallende licht, voor een gegeven frequentie van invallende straling en metaal.
• De tijd tussen het optreden en de emissie van een foto-elektron is erg klein, minder dan 10^-9 tweede.
• Voor een bepaald metaal is er een minimale frequentie van invallende straling waaronder het foto-elektrisch effect niet zal optreden, zodat er geen foto-elektronen kunnen worden uitgezonden (drempelfrequentie).
• Boven de drempelfrequentie hangt de maximale kinetische energie van het uitgezonden foto-elektron af van de frequentie van de invallende straling, maar is onafhankelijk van de intensiteit.
• Als het invallende licht lineair gepolariseerd is, zal de directionele verdeling van uitgezonden elektronen een piek in de polarisatierichting (de richting van het elektrische veld).

Het foto-elektrisch effect vergelijken met andere interacties

Wanneer licht en materie op elkaar inwerken, zijn verschillende processen mogelijk, afhankelijk van de energie van invallende straling. Het foto-elektrisch effect is het gevolg van energiezuinig licht. Mid-energy kan Thomson-verstrooiing en Compton-verstrooiing produceren. Licht met hoge energie kan paarproductie veroorzaken.