Foto-elektrisch effect: definitie, vergelijking en experiment

Alles wat in de klassieke natuurkunde werd geleerd, werd op zijn kop gezet toen natuurkundigen steeds kleinere rijken verkenden en kwantumeffecten ontdekten. Een van de eerste van deze ontdekkingen was het foto-elektrisch effect. In het begin van de twintigste eeuw kwamen de resultaten van dit effect niet overeen met de klassieke voorspellingen en waren ze alleen verklaarbaar met de kwantumtheorie, waardoor een hele nieuwe wereld voor natuurkundigen openging.

Tegenwoordig heeft het foto-elektrisch effect ook veel praktische toepassingen. Van medische beeldvorming tot de productie van schone energie, de ontdekking en toepassing van dit effect heeft nu implicaties die veel verder gaan dan alleen het begrijpen van de wetenschap.

Wanneer licht of elektromagnetische straling een materiaal raakt, zoals een metalen oppervlak, zendt dat materiaal soms elektronen uit, genaamdfoto-elektronen. Dit komt in wezen omdat de atomen in het materiaal de straling absorberen als energie. Elektronen in atomen absorberen straling door naar hogere energieniveaus te springen. Als de geabsorbeerde energie hoog genoeg is, verlaten de elektronen hun thuisatoom volledig.

Dit proces wordt soms ook welfoto-emissieomdat invallende fotonen (een andere naam voor lichtdeeltjes) de directe oorzaak zijn van de emissie van elektronen. Omdat elektronen een negatieve lading hebben, blijft de metalen plaat waaruit ze werden uitgezonden geïoniseerd.

Het meest bijzondere aan het foto-elektrisch effect was echter dat het geen klassieke voorspellingen volgde. De manier waarop de elektronen werden uitgezonden, het aantal dat werd uitgezonden en hoe dit veranderde met de intensiteit van het licht, lieten wetenschappers aanvankelijk achter hun oren krabben.

De oorspronkelijke voorspellingen met betrekking tot de resultaten van het foto-elektrisch effect uit de klassieke natuurkunde omvatten de volgende:

1. Energieoverdracht van invallende straling naar de elektronen. Er werd aangenomen dat alle energie die op het materiaal invalt, direct zou worden geabsorbeerd door de elektronen in de atomen, ongeacht de golflengte. Dit is logisch in het klassieke mechanica-paradigma: wat je ook in de emmer giet, vult de emmer met die hoeveelheid.
2. Veranderingen in lichtintensiteit zouden veranderingen in kinetische energie van elektronen moeten opleveren. Als wordt aangenomen dat elektronen de straling absorberen die op hen invalt, dan zou meer van dezelfde straling hen dienovereenkomstig meer energie moeten geven. Zodra de elektronen de grenzen van hun atomen hebben verlaten, wordt die energie gezien in de vorm van kinetische energie.
3. Licht van zeer lage intensiteit zou een tijdsverschil moeten opleveren tussen lichtabsorptie en emissie van elektronen. Dit zou zijn omdat werd aangenomen dat elektronen voldoende energie moeten krijgen om hun thuisatoom te verlaten, en licht met een lage intensiteit is als het langzamer toevoegen van energie aan hun energie-"emmer". Het duurt langer om te vullen en daarom zou het langer moeten duren voordat de elektronen voldoende energie hebben om te worden uitgezonden.

De werkelijke resultaten kwamen helemaal niet overeen met de voorspellingen. Dit omvatte het volgende:

1. Elektronen werden alleen vrijgegeven wanneer het invallende licht een drempelfrequentie bereikte of overschreed. Onder die frequentie vond geen emissie plaats. Het maakte niet uit of de intensiteit hoog of laag was. Om de een of andere reden was de frequentie of golflengte van het licht zelf veel belangrijker.
2. Veranderingen in intensiteit gaven geen veranderingen in kinetische energie van elektronen. Ze veranderden alleen het aantal uitgezonden elektronen. Zodra de drempelfrequentie was bereikt, voegde het verhogen van de intensiteit helemaal niet meer energie toe aan elk uitgezonden elektron. In plaats daarvan kregen ze allemaal dezelfde kinetische energie; het waren er gewoon meer.
3. Er was geen vertraging bij lage intensiteiten. Er leek geen tijd nodig te zijn om "de energie-emmer" van een bepaald elektron te vullen. Als een elektron moest worden uitgezonden, werd het onmiddellijk uitgezonden. Lagere intensiteit had geen effect op kinetische energie of vertragingstijd; het resulteerde er simpelweg in dat er minder elektronen werden uitgezonden.

De enige manier om dit fenomeen te verklaren was door een beroep te doen op de kwantummechanica. Zie een lichtstraal niet als een golf, maar als een verzameling discrete golfpakketten die fotonen worden genoemd. De fotonen hebben allemaal verschillende energiewaarden die overeenkomen met de frequentie en golflengte van het licht, zoals verklaard door de dualiteit van golven en deeltjes.

Bedenk bovendien dat de elektronen alleen tussen discrete energietoestanden kunnen springen. Ze kunnen alleen specifieke energiewaarden hebben, maar nooit waarden daartussenin. Nu kunnen de waargenomen verschijnselen als volgt worden verklaard:

1. Elektronen komen alleen vrij wanneer ze zeer specifieke voldoende energiewaarden absorberen. Elk elektron dat het juiste energiepakket krijgt (fotonenergie) zal worden vrijgegeven. Er wordt geen vrijgegeven als de frequentie van het invallende licht te laag is, ongeacht de intensiteit, omdat geen van de energiepakketten afzonderlijk groot genoeg is.
2. Zodra de drempelfrequentie wordt overschreden, verhoogt een toenemende intensiteit alleen het aantal elektronen vrijkomt en niet de energie van de elektronen zelf, omdat elk uitgezonden elektron één discrete absorbeert foton. Een grotere intensiteit betekent meer fotonen, en dus meer foto-elektronen.
3. Er is geen tijdsvertraging, zelfs niet bij lage intensiteit, zolang de frequentie maar hoog genoeg is, want zodra een elektron het juiste energiepakket krijgt, wordt het vrijgegeven. Lage intensiteit resulteert alleen in minder elektronen.

Een belangrijk concept met betrekking tot het foto-elektrisch effect is de werkfunctie. Ook bekend als elektronenbindende energie, is het de minimale energie die nodig is om een ​​elektron uit een vaste stof te verwijderen.

De formule voor de werkfunctie wordt gegeven door:

Waar-eis de elektronenlading,ϕis de elektrostatische potentiaal in het vacuüm nabij het oppervlak enEis het Fermi-niveau van elektronen in het materiaal.

Elektrostatische potentiaal wordt gemeten in volt en is een maat voor de elektrische potentiële energie per eenheid lading. Vandaar de eerste term in de uitdrukking,-eϕ, is de elektrische potentiële energie van een elektron nabij het oppervlak van het materiaal.

Het Fermi-niveau kan worden gezien als de energie van het buitenste elektron wanneer het atoom zich in zijn grondtoestand bevindt.

Nauw verwant aan de werkfunctie is de drempelfrequentie. Dit is de minimale frequentie waarmee invallende fotonen de emissie van elektronen veroorzaken. Frequentie is direct gerelateerd aan energie (hogere frequentie komt overeen met hogere energie), vandaar dat een minimale frequentie moet worden bereikt.

Boven de drempelfrequentie hangt de kinetische energie van de elektronen af ​​van de frequentie en niet van de intensiteit van het licht. In principe wordt de energie van een enkel foton volledig overgedragen op een enkel elektron. Een bepaalde hoeveelheid van die energie wordt gebruikt om het elektron uit te werpen, en de rest is zijn kinetische energie. Nogmaals, een grotere intensiteit betekent alleen maar dat er meer elektronen zullen worden uitgezonden, niet dat de uitgezonden elektronen meer energie zullen hebben.

De maximale kinetische energie van uitgezonden elektronen kan worden gevonden via de volgende vergelijking:

WaarK_maxis de maximale kinetische energie van het foto-elektron,his de constante van Planck = 6,62607004 × 10^-34 m²kg/s,fis de frequentie van het licht enf₀is de drempelfrequentie.

Je kunt de ontdekking van het foto-elektrisch effect in twee fasen beschouwen. Ten eerste de ontdekking van de emissie van foto-elektronen uit bepaalde materialen als gevolg van invallend licht, en ten tweede de bepaling dat dit effect helemaal niet gehoorzaamt aan de klassieke fysica, wat leidde tot veel belangrijke onderbouwingen van ons begrip van kwantum mechanica.

Heinrich Hertz observeerde voor het eerst het foto-elektrisch effect in 1887 tijdens experimenten met een vonkbruggenerator. De opstelling omvatte twee paar metalen bollen. Vonken die tussen de eerste set bollen worden gegenereerd, zouden ervoor zorgen dat vonken tussen de tweede set springen, waardoor ze als transducer en ontvanger fungeren. Hertz was in staat om de gevoeligheid van de opstelling te vergroten door er licht op te laten schijnen. Jaren later, J.J. Thompson ontdekte dat de verhoogde gevoeligheid het gevolg was van het licht waardoor de elektronen werden uitgestoten.

Terwijl Hertz's assistent Phillip Lenard vaststelde dat de intensiteit geen invloed had op de kinetische energie van de foto-elektronen, was het Robert Millikan die de drempelfrequentie ontdekte. Later kon Einstein het vreemde fenomeen verklaren door de kwantisering van energie aan te nemen.

Albert Einstein kreeg in 1921 de Nobelprijs voor zijn ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect, en Millikan won de Nobelprijs in 1923 ook voor werk met betrekking tot het begrijpen van het foto-elektrische effect.

Het foto-elektrisch effect heeft vele toepassingen. Een daarvan is dat wetenschappers de elektronenenergieniveaus in materie kunnen onderzoeken door de drempelfrequentie te bepalen waarbij invallend licht emissie veroorzaakt. Fotomultiplicatorbuizen die gebruik maakten van dit effect werden ook gebruikt in oudere televisiecamera's.

Een zeer nuttige toepassing van het foto-elektrisch effect is bij de constructie van zonnepanelen. Zonnepanelen zijn arrays van fotovoltaïsche cellen, dit zijn cellen die gebruik maken van elektronen die door zonnestraling uit metalen worden uitgestoten om stroom te genereren. Vanaf 2018 wordt bijna 3 procent van de energie in de wereld opgewekt door zonnepanelen, maar dit aantal is zal naar verwachting de komende jaren aanzienlijk groeien, vooral omdat de efficiëntie van dergelijke panelen neemt toe.

Maar het belangrijkste van alles was dat de ontdekking en het begrip van het foto-elektrisch effect de basis legde voor het gebied van de kwantummechanica en een beter begrip van de aard van licht.

Er zijn veel experimenten die kunnen worden uitgevoerd in een inleidend natuurkundig laboratorium om het foto-elektrische effect aan te tonen. Sommige hiervan zijn ingewikkelder dan andere.

Een eenvoudig experiment demonstreert het foto-elektrisch effect met een elektroscoop en een UV-C-lamp die ultraviolet licht levert. Plaats negatieve lading op de elektroscoop zodat de naald afbuigt. Laat vervolgens de UV-C lamp schijnen. Licht van de lamp zal elektronen uit de elektroscoop vrijgeven en ontladen. U kunt zien dat dit gebeurt door te zien dat de doorbuiging van de naald afneemt. Merk echter op dat als je hetzelfde experiment zou proberen met een positief geladen elektroscoop, het niet zou werken.

Er zijn nog veel meer manieren om met het foto-elektrisch effect te experimenteren. Bij verschillende opstellingen is een fotocel betrokken die bestaat uit een grote anode die bij invallend licht elektronen afgeeft die door een kathode worden opgevangen. Als deze opstelling bijvoorbeeld is aangesloten op een voltmeter, wordt het foto-elektrische effect zichtbaar wanneer het schijnen van het licht een spanning creëert.

Complexere opstellingen zorgen voor nauwkeurigere metingen en stellen u zelfs in staat om de werkfunctie en drempelfrequenties voor verschillende materialen te bepalen. Zie de sectie Bronnen voor links.