Zjawisko fotoelektryczne | FIZYKA
Praca Maxwella (1864) przewidywała istnienie fal elektromagnetycznych; odkrył je doświadczalnie Hertz (1887). W czasie swojej pracy Hertz odkrył, że wyładowania w przerwie iskrowej zachodzi łatwiej, jeżeli na przerwę pada światło ultrafioletowe. Następnie Hallwachs wykazał, że światło ultrafioletowe padające na ujemnie naładowaną izolowaną płytę powoduje odpływ ładunku ujemnego. Jeżeli jednak płyta naładowana jest dodatnio, nie obserwuje się żadnego tego rodzaju efektu. Wyjaśnienie tych obserwacji nastąpiło dzięki odkryciu elektronu. Założono, że światło ultrafioletowe padając na płytę uwalnia elektrony. Założenie to potwierdziły pomiary e/m dla "promieni fotoelektrycznych"; uzyskano taka sama wartość tego stosunku jaka uzyskał Thomson dla elektronów. Aparaturę użyta do badania zjawiska fotoelektrycznego pokazałem na rysunku.
Związek między fotoprądem, napięciem U między płytą metalową K i anodą A, a natężeniem światła przedstawiam na rysunku. Z tego rysunku wynikają dwa istotne wnioski. Po pierwsze występuje prosta proporcjonalność miedzy maksymalnym natężeniem fotoprądu i natężeniem światła; wskazuje to, że liczba elektronów emitowanych z katody jest wprost proporcjonalna do natężenia padającego światła. Po wtóre, jeżeli napięcie między K i A ulega odwróceniu, wówczas prąd fotoelektryczny zmniejsza się, ponieważ elektrony są przyciągane z powrotem w kierunku K. Przy pewnym "hamującym" napięciu 
, niezależnie od natężenia światłą powodującego emisję, prąd fotoelektryczny osiąga natężenie zerowe - co wskazuje, że fotoelektrony są emitowane z maksymalną energią kinetyczną daną wzorem .gif)
, gdzie .gif)
jest maksymalną prędkością emisji fotoelektronów. Inne elektrony o prędkości emisji mniejszej niż są zawracane do płyty metalowej przez napięcia mniejsze od napięcia hamującego.
Źródło obrazka: http://ilf.fizyka.pw.edu.pl/podrecznik/1/2/2?type=accessible
Zależność napięcia hamującego od długości fali dla powierzchni wielu różnych metali badał Millikan. Jego wyniki są przedstawione graficznie na poniższym rysunku.
Prostoliniowe wykresy można opisać równaniem: .gif)
, gdzie p to φ, a h i φ można określić z wykresów. Z rysunku wynikają dwa ważne wnioski: wszystkie linie proste dla różnych metali mają takie samo nachylenie, podczas gdy φ jest stałą charakterystyczną dla danego metalu, zwaną pracą wyjścia; energia kinetyczna przyjmuje wartość zerową dla ściśle określonej częstości, częstość tę nazywa się częstością progową .gif)
; oczywiście jest ona najmniejszą częstością, która może spowodować fotoemisję. Zgodnie z powyższym stwierdzeniem φ = .gif)
i równanie można zapisać w postaci .gif)
.
Próby wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego w oparciu o pojęcia fizyki klasycznej poniosły fiasko, dokładnie tak jak próby wyjaśnienia innych zjawisk związanych z atomem. Spór o to, czy światło ma naturę falową, czy korpuskularną został rozstrzygnięty, jak się wydawało, po odkryciu przez Younga i Fresnela efektów interferencyjnych i dyfrakcyjnych dla światła, świadczących o jego falowej naturze. Maxwell wykazał później, że fale świetlne mają naturę elektromagnetyczną i są podobne do fal odkrytych przez Hertza. Początkowo przypuszczano, że pola elektryczne i magnetyczne związane z falami świetlnymi oddziałują na elektrony w metalach uwalniając je z powierzchni metalu. Gdyby tak było, można by oczekiwać, że światło o dużym natężeniu, to jest o silnym polu elektrycznym i magnetycznym, powinno nadawać dużą energię kinetyczną uwolnionym elektronom. Wniosek ten jest niezgodny z doświadczeniem, które wykazuje, że energia kinetyczna fotoelektronów ma określone maksimum. Ponadto można by oczekiwać, że światło o małej częstości i dużym natężeniu, powinno być tak samo efektywne przy uwalnianiu elektronów, jak światło ultrafioletowe o małym natężeniu. Również i tego przypuszczenia doświadczenie nie potwierdziło; wykazano jedynie, że światło o częstości mniejszej od określonej częstości progowej, jest nieefektywne.
Wczesne obserwacje zjawiska fotoelektrycznego wyjaśnił Einstein (1905), a jego teorię potwierdziły późniejsze pomiary Millikana. Einstein oparł swoje wyjaśnienie na teorii kwantowej Plancka: założył, że energia promienista nie jest rozłożona na czole fali w sposób ciągły, jak np: energia fal wodnych, lecz jest skoncentrowana w kwantach lub fotonach, przy czym energia fotonu światła o częstości v wynosi hv. Ponadto Einstein założył, że każdy foton jest na tyle skoncentrowany, iż całą energię hv może przekazać tylko jednemu elektronowi w ciele stałym. Stosując do tego przekazu zasadę zachowania energii Einstein założył, że energia fotonu ulega rozszczepieniu na dwie części, jedna część zostaje zużyta na pokonanie sił wiążących elektron w metalu, a druga część pojawia się jako energia kinetyczna wyrwanego elektronu. Wobec tego, związek energii hv jednego fotonu z energią 
wybitego elektronu wyraża się następującym równaniem: .gif)
.
Wartość h okreslona fotoelektrycznie (.gif)
Js). Nie wszystkie kwanty padające na powierzchnię przekazują elektronom energię, ponieważ wiele z nich ulega odbiciu, rozproszeniu lub absorpcji na powierzchni bez emisji fotoelektronu.
W teorii Einsteina, światło o wielkim natężeniu jest opisywane jako zbiór wielu kwantów przebiegających w ciągu sekundy w postaci promienia. W takim razie oczekuje się, że intensywne światło padając na powierzchnię wyzwala wiele elektronów i daje duże fotoprądy, lecz nie nadaje pojedynczym elektronom większej energii niż światło o małym natężeniu i tej samej częstości. Wynik ten został potwierdzony doświadczalnie. Fakt, że nie wszystkie elektrony opuszczają powierzchnię z maksymalną energią kinetyczną .gif)
, można łatwo wyjaśnić przyjmując, że nie wszystkie elektrony są jednakowo silnie związane. Ponadto nie wszystkie wybite elektrony zaczynają poruszać się po torach prostopadłych do powierzchni. Więc jeżeli przyłożone napięcie tylko nieznacznie różni się od wyznaczonego teoretycznie napięcia hamowania, to anodę osiąga znikomo mała część wybitych elektronów.
Chociaż teoria Einsteina dała dokładny opis zjawiska fotoelektrycznego, jego idea światła złożonego z kwantów pozostaje w całkowitej sprzeczności z klasyczną teorią fal elektromagnetycznych, która nie jest w stanie objaśnić zjawiska fotoelektrycznego. Z drugiej strony, nie można wyjaśnić zjawisk interferencji i dyfrakcji z punktu widzenia pojęć "korpuskularnych". Musimy wobec tego przyjąć, że światło w oddziaływaniu ze światłem, wykazuje inną naturę niż światło w oddziaływaniu z materią. A zatem światło ma naturę dwoistą.
Pozdrawiam,
Jan Pabisiak!
