1.4 Fotoelektrisk effekt
Den fotoelektriska effekten uppkommer då en metall belyses med ljus av varierande frekvens. Det visar sig att elektroner frigörs från metallen om ljusfrekvensen är större än en viss gränsfrekvens f0. Mängden ljus som träffar metallen inverkar på antalet elektroner som frigörs ­ men om ljusfrekvensen är mindre än f0 frigörs inga elektroner, oberoende hur nära ljuskällan metallen förs.
Detta fenomen kunde inte förklaras med den klassiska vågmodellen för ljuset!
Einstein fick nobelpriset i fysik för sin förklaring av den fotelektriska effekten. Han använde sig av Plancks kvanthypotes. Förklaringens huvudpunkt är följande:
Elektromagnetisk strålning kan avge och motta energi endast i form av kvanta.
Fotoner med energin E = hf träffar metallen. En elektron som träffas av en foton får all denna energi. För att elektronen skall lossna från metallen måste dess energi överstiga metallens utträdesarbete W0. Om energin är precis lika stor som utträdesarbetet, kommer elektronen att frigöras, men inte röra på sig. Om energin är större än utträdesarbetet kommer elektronen att få en hastighet, och alltså ha rörelseenergi. De elektroner som har den högsta hastigheten har rörelseenergin Ekmax.
Vi får ett förhållande mellan fotonens energi, utträdesarbetet och den kinetiska energin:
(4)
Vi inser att ljusfrekvensen avgör om elektronerna lossnar eller inte. Om frekvensen är precis någon gränsfrekvens f0, blir fotoneergin hf0 = hc/λ0 = W0. Fotonens energi räcker precis till för att frigöra elektronen, men den får ingen hastighet och ingen kinetisk energi. Är frekvensen mindre än f0 (dvs., våglängden större än λ0) kan inga elektroner lossna från metallen, oberoende av hur mycket ljus som träffar metallen.
Genom att låta de frigjorda elektronerna färdas i ett elfält kunde forskarna bestämma den kinetiska energin hos dem. Man kunde bestämma en spänning som precis bromsade in elektronerna. Den kinetiska energin Ekmax hade då omvandlats till potentiell energi eU. Man har alltså förhållandet eU = Ekmax. På detta sätt kunde man bestämma Ekmax, vilket sedan gav värdet på Plancks konstant (Se exempel 3 sid 21)!
Den fotoelektriska effekten tillämpas bland annat i solceller, fotoceller och belysningsmätare. 1
Ex. 3
Ultraviolett ljus belyser en natriumplatta. Ljuset har frekvensen 1,03x1015 Hz. Vad är den maximala kinetiska energin hos de frigjorda elektronerna? Läs sid. 17­22
Uppgifter:1­13,1­15,1­16,1­19
2
