Fotoelektrični efekt: Fizikalni zakoni, Einsteinova jednadžba i primjena

Što je fotoelektrični efekt?

Fotoefekt (fotoelektrični efekt) je pojava izbijanja elektrona iz metala pod djelovanjem elektromagnetskog zračenja (EMZ). Obasjavanje površine metala EMZ-om može izazvati emisiju elektrona – svjetlost pada na metal te se izbijeni elektroni oslobađaju i odbijaju iz metala.

Temeljni fizikalni koncepti fotoefekta

• Izlazni rad (W_iz): Za izvući elektron iz unutrašnjosti metala potrebno je uložiti energiju. Minimalna energija potrebna za to naziva se izlazni rad (W_iz) i različita je za različite metale.
• Utjecaj frekvencije EMZ-a na E_k,max: Maksimalna kinetička energija izbačenih elektrona (E_k,max) linearno raste s frekvencijom f elektromagnetskog zračenja. Postoji granična frekvencija (f₀) ispod koje nema fotoelektričnog efekta, a također je različita za različite metale.
• Utjecaj intenziteta EMZ-a na E_k,max: E_k,max ne ovisi o intenzitetu zračenja. Povećanjem intenziteta raste jedino broj izbačenih elektrona, dok E_k,max ostaje ista.
• Zaustavni napon: Maksimalnu kinetičku energiju možemo mjeriti pomoću napona (U_z) koji je potreban za potpuno zaustavljanje izbijenih elektrona (zaustavni napon):
  E_k,max = e · U_z
  Sukladno tome, jednadžba fotoefekta poprima oblik:
  h · f = W_iz + e · U_z

Einsteinovo tumačenje fotoelektričnog efekta

Klasičnom valnom teorijom elektromagnetskog zračenja ne možemo objasniti fotoelektrični efekt. Albert Einstein postavlja tezu da je EMZ čestične prirode (sastoji se od fotona):

• Svaki foton nosi kvant energije: E_f = h · f (gdje je Planckova konstanta h = 6,626 × 10^-34 J·s).
• Pri interakciji fotona s elektronom, foton u potpunosti predaje svoju energiju elektronu.
• Tu energiju (h · f) elektron djelomično potroši na izlazni rad (W_iz), a preostali dio ostaje mu u obliku kinetičke energije (E_k).
• Za elektrone s maksimalnom kinetičkom energijom (E_k,max) vrijedi zakon očuvanja energije (ZOE), odnosno jednadžba fotoefekta:
  E_f = W_iz + E_k,max
• Konačna formula glasi:
  h · f = W_iz + (m · v_max²) / 2
  (gdje je v_max maksimalna brzina koju postižu izbačeni elektroni, a masa elektrona iznosi m = 9,11 × 10^-31 kg).
• Mogućnosti: Kada je h · f > W_iz, dolazi do emisije i emitirani elektron posjeduje kinetičku energiju (E_k).

Primjena fotoelektričnog efekta i primjeri iz prakse

Fotoelektrični efekt ima iznimno široku tehničku i znanstvenu primjenu (npr. prekidači, fotoćelije, CCD kamere):

1. Fotomultiplikator

Fotoosjetljiva elektronska cijev. Između katode i anode nalaze se dinode koje izbijaju sekundarne elektrone i tako višestruko umnažaju struju elektrona (primjenjuje se u fizici, astronomiji, medicini itd.).

2. Fotoćelija

Električna cijev u kojoj svjetlost vanjskim fotoefektom izbija elektrone iz katode prevučene fotoosjetljivim slojem. Katoda i anoda smještene su u staklenom balonu.

3. Elektroskop sa zlatnim listićem

Uređaj namijenjen otkrivanju statičkog elektriciteta koji se također može koristiti za laboratorijsko ispitivanje fotoefekta.

4. Fotoelektronska spektroskopija

Metoda u kojoj se vakuumsko monokromatsko zračenje primjenjuje za ionizaciju molekula. Ultraljubičastim (UV) zračenjem ioniziraju se valentni elektroni, dok se rendgenskim zračenjem izbijaju sržni elektroni.

5. Svemirske letjelice

Fotoefekt uzrokuje da se plohe svemirske letjelice izložene Sunčevom zračenju pozitivno nabiju. Problem nastaje jer je suprotna strana letjelice negativno nabijena zbog prisutne plazme, što dovodi do pojave električne struje koja može oštetiti osjetljive električne komponente.

6. Mjesečeva prašina

Sunčeve zrake udaraju u prašinu na Mjesecu te uslijed fotoefekta čestice prašine postaju električki nabijene. Zbog istog naboja čestice se međusobno odbijaju i podižu uvis procesom elektrostatskog lebdenja.

7. Uređaj za noćno gledanje

Fotoni koji udaraju u tanki film alkalijskih metala ili poluvodičkog materijala izbijaju elektrone fotoelektričnim efektom. Oslobođeni elektroni se potom ubrzavaju i usmjeravaju na ekran s fosfornim slojem, čime se u uređaju stvara pojačana, vidljiva slika.