Electroni cu efect fotoelectric din materie și lumină

Efectul fotoelectric are loc atunci când materia emite electroni la expunerea la radiații electromagnetice, cum ar fi fotonii de lumină. Iată mai detaliat care este efectul fotoelectric și cum funcționează.

Prezentare generală a efectului fotoelectric

Efectul fotoelectric este studiat în parte, deoarece poate fi o introducere în dualitatea undă-particule și mecanica cuantică.

Când o suprafață este expusă unei energii electromagnetice suficient de energice, lumina va fi absorbită și vor fi emiți electroni. Frecvența pragului este diferită pentru diferite materiale. Este lumină vizibilă pentru metalele alcaline, lumina aproape ultravioletă pentru alte metale și radiația ultravioletă extremă pentru nemetalele. Efectul fotoelectric apare cu fotonii care au energii de la câțiva electroniți la peste 1 MeV. La energiile cu fotoni mari, comparabile cu energia de repaus de electroni de 511 keV, se poate produce împrăștiere Compton, producția pereche poate avea loc la energii de peste 1.022 MeV.

Einstein a propus că lumina constă în quanta, pe care o numim fotoni. El a sugerat că energia din fiecare cuantă de lumină era egală cu frecvența înmulțită cu o constantă (constanta lui Planck) și că un foton cu o frecvență peste un anumit prag ar avea suficientă energie pentru a expulza un singur electron, producând efectul fotoelectric. Se pare că lumina nu trebuie cuantificată pentru a explica efectul fotoelectric, dar unele manuale persistă în a spune că efectul fotoelectric demonstrează natura particulelor luminii.

Ecuațiile lui Einstein pentru efectul fotoelectric

Interpretarea lui Einstein a efectului fotoelectric are ca rezultat ecuații valabile pentru lumina vizibilă și ultravioletă:

energia fotonului = energia necesară pentru a elimina un electron + energia cinetică a electronului emis

hν = W + E

Unde
h este constanta lui Planck
ν este frecvența fotonului incident
W este funcția de lucru, care este energia minimă necesară pentru a elimina un electron de la suprafața unui metal dat: hν₀
E este energia cinetică maximă a electronilor expuși: 1/2 mv²
ν₀ este frecvența prag pentru efectul fotoelectric
m este masa de rest a electronului evacuat
v este viteza electronului evacuat

Nu se va emite niciun electron dacă energia fotonului incident este mai mică decât funcția de lucru.

Aplicând teoria specială a relativității a lui Einstein, relația dintre energia (E) și impulsul (p) al unei particule este

E = [(buc)² + (mc²)²]^(1/2)

unde m este masa de rest a particulei și c este viteza luminii într-un vid.

Caracteristici cheie ale efectului fotoelectric

• Viteza cu care sunt expulzați fotoelectronii este direct proporțională cu intensitatea luminii incidente, pentru o frecvență dată de radiații incidente și metal.
• Timpul dintre incidența și emisia unui fotoelectron este foarte mic, sub 10^-9 al doilea.
• Pentru un metal dat, există o frecvență minimă de radiații incidente sub care nu se va produce efectul fotoelectric, deci nu se pot emite fotoelectroni (frecvența pragului).
• Peste frecvența pragului, energia cinetică maximă a fotoelectronului emis depinde de frecvența radiației incidente, dar este independentă de intensitatea acesteia.
• Dacă lumina incidentă este polarizată liniar, atunci distribuția direcțională a electronilor emiți va atinge vârful în direcția polarizării (direcția câmpului electric).

Compararea efectului fotoelectric cu alte interacțiuni

Când lumina și materia interacționează, sunt posibile mai multe procese, în funcție de energia radiațiilor incidente. Efectul fotoelectric rezultă din lumina redusă cu energie. Mid-energia poate produce împrăștiere Thomson și împrăștiere Compton. Lumina de mare energie poate provoca producția de perechi.