Fotoelektrisk effekt

Den fotoelektriske effekten opptrer når eit metall gjev frå seg elektron under påverknad av lys.

Denne effekten har eit stort teknisk bruksområde, mellom anna i lysmålarar som vert nytta i fotografering. Ein får då lyset som skal målast til å falle inn mot ei lita metallplate. Når lyset treffer denne vert det frigjort elektron, som produserer ein elektrisk straum i ein tilkopla straumkrins. Ved å lese av straumstyrken kan ein slutte seg til kor sterkt lyset er.

Hallwachseffekt er ei lita brukt nemning på den fotoelektriske effekten. Namnet er etter oppdagaren av effekten, den tyske fysikaren Wilhelm Hallwachs (1859–1922).

Korleis greier lys å få eit metall til å produsere frie elektron?

Det viste seg at den klassiske fysikken hadde store problem med å gje ei vitskapleg forklaring av den fotoelektriske effekten. Spesielt dette at dei frie elektrona først vart produsert når lysfrekvensen låg over ein viss minimumsfrekvens, valda store problem for dei foreslegne klassiske forklaringsmodellane. I 1905 framsette Albert Einstein den berømte forklaringa si av den fotoelektriske effekten, som sidan er vorte ståande som den utan tvil riktige forklaringa. Forklaringa til Einstein av den fotoelektriske effekten utgjorde eit radikalt brot med den klassiske fysikken, og danna sjølve utgangspunktet for kvantemekanikken, som igjen vart den viktigaste teknisk-vitskaplege oppdaginga på 1900-talet.

Forklaringa til Einstein var eigenleg særs enkel, sidan han tok opp ein idé som Max Planck allereie hadde lansert i 1900, der strålingsenergien til lyset vart diskretisert ved å la energien opptre i form av kvantar, der kvart lyskvant skulle ha ein energi som han – og Planck – meinte måtte vere proporsjonal med lysfrekvensen. Men denne enkle tanken utgjorde eit særs radikalt brot med den då allereie så veletablerte Hertz-Maxwellske elektromagnetiske teorien for eigenarten til lyset. Ifølgje denne er lys nemleg ikkje noko anna enn svingingar i dei elektriske og magnetiske felta, som forplantar seg gjennom rommet som eit kontinuerleg bølgjefenomen. Og ein slik teori, veletablert som han var, til dømes gjennom arbeidet til Marconi med å nytte Maxwells elektromagnetiske bølgjer til signaloverføring, tillét ikkje at lyset eller dei elektromagnetiske bølgjene, skulle kunne opptre i diskrete energibuntar, som såkalla lyskvant. For kvantane var diskrete, medan dei bølgjene var kontinuerlege. Og det var ein umogleg tanke at ein ting kunne vere både diskret og kontinuerleg samstundes. Like vel var det denne sjølvmotseiinga som sidan skulle danne sjølve grunnlaget for kvantemekanikken. Dette blir for kalla komplementaritet, eit heilt nytt prinsipp i fysikken.

Fleire detaljar

Den fotoelektriske effekten oppstår fordi foton i lyset «slår ut» elektrona. Energien til fotona må rett nok ha ein viss storleik: For at lys skal kunne slå laus elektron i eit metall, må lysfrekvensen vere minst like høg som grensefrekvensen for metallet. Viss lys med lågare frekvens treffer metallet, vil det ikkje bli slått laus elektron sjølv om vi aukar lysintensiteten (dvs strålingstettleiken eller mengder foton per tidseining).

Grunnen til dette er at når eit foton treffer eit elektron, gjev det heile energien sin til det eine elektronet, og dette elektronet får berre energi frå det eine fotonet. Denne energien må vere større enn arbeidsfunksjonen til metallet for å kunne lausrivast frå metallet. Når lysfrekvensen er f vil fotonet ha energien E=hf, der h er Planckkonstanten. Fotonet må utføre eit arbeid W på elektronet for å lausrive det, og viss fotonenergien E er større enn lausrivningsarbeidet W, vil elektronet bli frigjort. Energien som eventuelt er til overs blir overført som kinetisk energi til elektronet, og vil avgjere kva for eit snøggleik elektronet får.

Sidan berre éit foton kan gje energi til éit elektron i ein slikt støyt, har lysintensiteten ikkje noko å seie for om den fotoelektriske effekt oppstår; berre frekvensen er avgjerande, då energien per foton berre er avhengig av frekvensen.

Intensiteten har noko å seie for kor mange elektron som blir frigjort i løpet av ei tid; høgare intensitet tyder fleire foton, som medfører fleire samanstøyt med elektron, som fører til fleire vellykka lausrivingar.

Når eit foton treffer eit elektron vil han ikkje automatisk overføre all energien sin; vi må regne på det som ein støyt mellom to partiklar. Dette tyder at sjølv om eit foton har frekvens over grensefrekvensen til metallet og dermed òg nok energi, vil det ikkje nødvendigvis seie at fotonet får slått laus elektronet: Blir det ein skeiv støyt, vil ikkje all energien bli overført. Dette vil seie at grensefrekvensen og lausrivingsarbeidet til eit metall er den/det minste frekvensen/arbeidet som skal til for å slå laus eit elektron. Med desse minimumsverdiane meinast det at det er desse verdiane som skal til for å slå ut elektronet når støyten er optimalt med tanke på vinkel og fart i tilhøve til partiklane, og at det då gjeld dei elektrona som er enklast å slå ut, det vil seie dei som ligg langt utanfor kjernen.

Ein slikt støyt kallast ein Compton-støyt. Vi må likevel hugse på at Comptoneffekten omhandlar vekselverknad mellom ljos og frie elektron, medan den fotoelektriske effekt omhandlar vekselverknaden mellom lys og bundne elektron, nemleg elektron som er bunde til eit metall, altså bunde til å måtte opphalde seg inni metallet, der dei vanlegvis ikkje så lett slepp unna. Dette gjeld om dei då ikkje skulle sendast ut termisk, som frå katoden i eit radiorøyr, eller ved at dei blir treft av foton som har tilstrekkeleg energi/frekvens til å få dei lausrive frå metallet. Der er stor skilnad på bundne og frie elektron.

Albert Einstein fekk Nobelprisen i fysikk i 1921 for oppdaginga av den fotoelektriske effekten.

Kjelder

Denne artikkelen bygger på «Fotoelektrisk effekt» frå Wikipedia på bokmål, den 16. april 2013.