Fényelektromos jelenség

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

A fotoelektromos hatás (fotoeffektus, fényelektromos jelenség) a küszöbszintnél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás (például látható fény vagy ultraibolya sugárzás) által egy anyag (leginkább fém) felszínéből elektronok kiváltása. Nincs elektron kibocsátás a határfrekvencia alatt, mert a foton nem tud elég energiát biztosítni ahhoz, hogy kilépjenek az atomos kötésből. A kibocsátott elektronokat gyakran fotoelektron néven említik a tankönyvek.

A fotoelektromos hatás tovább segítette a hullám-részecske kettősség felismerését, mely szerint a a részecskék (jelen esetben fotonok) mind hullámszerű, mind a részecskeszerű tulajdonságokkal rendelkeznek, ezek az elképzelések a kvantummechanika kialakításában fontos szerepet játszottak. A fotoelektromos hatást matematikailag Albert Einstein bizonyította be, kiterjesztve munkáját, további kutatásokat végzett Max Planck.

[szerkesztés] Magyarázata

A fénysugár fotonjai a fény hullámhosszától (azaz frekvenciájától) függő nagyságú energiával rendelkeznek. A fotonkibocsátás folyamatában, ha egy elektron elnyeli egy foton energiáját és több energája lesz, mint a kilépési munka, akkor kilökődik az anyagból. Ha a foton energiája túl alacsony, az elektron nem képes kilépni az anyag felületéről. Ha növeljük a fénysugárzás intenzitását, az nem változtatja meg a fénysugárt alkotó fotonok energiáját, csak a számát és így a kibocsátott elektronok energiája nem függ a beérkező sugár intenzitásától.

Az elektronok elnyelhetik az energiát a fotonoktól megvilágításkor, de egy „mindent vagy semmit” elvet követnek. Egy foton összes energiáját el kell nyelnie és fel kell használnia egy elektronnak, hogy kiszabaduljon az atomos kötésből, különben az energia visszasugározódik. Ha egy foton elnyelődik, energiájának egy része kiszabadítja azt az atomból és a maradék energia lesz az immár szabad elektron mozgási energiája.

[szerkesztés] Képletek

A fotoelektromos hatást vizsgálva Einstein eljárását követjük,a következő egyenleteket használjuk:

foton energiája = az elektron eltávolításához szükséges munka (kilépési munka) + kibocsátott elektron mozgási energiája

Képlettel felírva:

$hf = hf_0 + {1 \over 2}{m}{v}^2$

Fizikai szimbólumokkal:

$hf = W_{ki} + E_m\,$

ahol h a Planck-állandó, $h f 0$ a határfrekvencia a fotoelektromos hatás bekövetkeztekor, W_ki a kilépési munka, azaz a minimális energia, amely szükséges az elektron eltávolításához az atomos kötésből, és a E_m az észlelt legnagyobb mozgási energia.

Ha a foton hf energiája kisebb mint a W_ki kilépési munka, akkor egyáltalán nem lép ki elektron.

Az egyenlet megfigyeléseink alapján nem mindig bizonyul igaznak, a kibocsátott elektron néha kisebb kinetikus energiával bír, mint ahogy a képlet szerint vártuk. Ez azért van, mert a test valamennyi energiát elnyelhet, ami a hőmérésékletét növelheti vagy sugárzásként bocsátja ki azt.

[szerkesztés] Felhasználás

A napelemek és a fényérzékeny diódák (fotodiódák) a fotoelektromos hatás elvén működnek. Ezek elnyelik a fotonokat a fényből és energiát adnak az elektronoknak, elektromos áramot létrehozva.

[szerkesztés] Elektroszkópok

Az elektroszkópok vákuumban villa-alakban felfüggesztett fémszalagok, amelyek olyan fémrúdhoz kapcsolódnak, melynek vége kilóg a külvilágba. Mikor egy elektroszkóp pozitívan vagy negatívan feltöltődik, a két lemez elválik, mivel a töltések egyenletesen oszlanak el a szalagok között, taszítást okozva a két azonos pólus között. Amikor ultraibolya sugárzás vagy fény (vagy bármilyen sugárzás ezen a frekvenciaküszöbön felül) éri a fémet, ha negatívan töltött, kisül és a szalagok összezáródnak, a pozitívan töltöttel nem történik semmi. Az ok az, hogy a negatívan töltöttből elektronok lépnek ki, emiatt fokozatosan elveszíti a töltését, míg a pozitívan töltöttből, ha elektronokat szabadítunk fel, az még pozitívabb töltésű lesz, a leveleket továbbra is széttárva maradnak.