Fotoelektrinen ilmiö — määritelmä, Einsteinin lait ja merkitys
Fotoelektrinen ilmiö: selkeä määritelmä, Einsteinin lait ja ilmiön merkitys kvanttimekaniikassa — ymmärrä valon hiukkasluonne helposti.
Valosähköinen ilmiö on fysiikan ilmiö. Se perustuu ajatukseen, että sähkömagneettinen säteily koostuu fotoneiksi kutsutuista hiukkasista. Kun fotoni osuu elektroniin metallipinnalla, elektroni voi emittoitua. Emittoituneita elektroneja kutsutaan fotoelektroneiksi. Vaikutusta kutsutaan myös Hertz-ilmiöksi, koska sen löysi Heinrich Rudolf Hertz, mutta tätä nimeä ei käytetä usein. Fotosähköinen ilmiö on auttanut fyysikoita ymmärtämään valon ja elektronien kvanttiluonnetta. Aalto-hiukkasdualisuuden käsite kehitettiin valosähköisen ilmiön ansiosta. Albert Einstein ehdotti valosähköisen ilmiön lakeja ja sai fysiikan Nobel-palkinnon 1921.
Määritelmä ja periaate
Valosähköinen ilmiö tarkoittaa sitä, että aineesta (yleensä metallista) irtoaa elektroneja, kun sitä säteilytetään riittävän energisellä valolla. Ilmiö selittyy sillä, että sähkömagneettisen säteilyn energia siirtyy kvantteina eli fotoneina. Yhden fotonin energia on E = h·f, missä h on Planckin vakio ja f on säteilyn taajuus.
Einsteinin valosähköinen laki
Einstein esitti vuonna 1905 yksinkertaisen ja selkeän kuvauksen ilmiöstä. Keskeiset kohdat ovat:
- Fotoni luovuttaa energiansa yhdelle elektronille.
- Elektronin vapautumiseen tarvitaan aineelle ominainen energia, työnfunktio φ (eli energia, joka tarvitaan elektronin irrottamiseen pinnasta).
- Maksimaalinen kinemaattinen energia irronneella elektronilla on K_max = h·f − φ, jos h·f > φ. Muuten elektroni ei irtoa.
- Tämän perusteella on olemassa kynnystaajuus f0 = φ/h: aallonpituuksia hitaammalla (taajuudeltaan pienemmällä) valolla ilmiötä ei tapahdu.
- Jos mitataan pysäytyspotentiaali V_stop, niin e·V_stop = K_max, eli V_stop = (h·f − φ)/e, missä e on alkeisvaraus.
Keskeiset havainnot ja ero klassiseen ennusteeseen
Valosähköisen ilmiön kokeelliset seikat, jotka tukevat kvanttikuvaa:
- Elektronien irtoaminen tapahtuu välittömästi (> mikrosekunneissa) altistuksesta, ei hitaasti kertymisen jälkeen.
- Altistuksen intensiteetin kasvu lisää irtoavien elektronien määrää (sähkövirtaa), mutta ei nosta yksittäisen elektronin suurinta liikettäenergiaa — se riippuu taajuudesta.
- Kun taajuutta kasvatetaan, elektronien maksimienergia kasvaa lineaarisesti; alle kynnystaajuuden ei synny emittoitumista riippumatta intensiteetistä.
Näin ollen klassinen aaltokäsitys, jonka mukaan energian pitäisi kasautua ajan myötä riippumatta taajuudesta, ei pysty selittämään havaintoja.
Historia ja mittaukset
Vaikka Heinrich Hertz havaitsi ilmiön 1880-luvulla, sen selitys vaati kvanttiajatusta. Albert Einstein julkaisi selityksen, johon perustuen hän sai Nobelin palkinnon vuonna 1921. Myöhemmin Robert A. Millikan teki tarkkoja mittauksia, jotka vahvistivat Einsteinin yhtälön ja mahdollistivat Planckin vakion h tarkan määrityksen.
Sovellukset ja merkitys
Valosähköisellä ilmiöllä on runsaasti käytännön sovelluksia ja suuri merkitys fysiikan kehitykselle:
- Valoherkät ilmaisimet ja fotokennot (esim. fotoputket ja fotodiodit).
- Valosähköiset kennot ja fotomultipliersäätimet laboratoriokäytössä.
- Elektronien energiaspektrien tutkimus, kuten fotoelektroninen spektroskopia (esim. XPS), joka kertoo aineen pinnan kemiallisesta koostumuksesta.
- Erityisesti kvanttikäsite johti laajemmin moderniin kvanttimekaniikkaan ja käsitykseen aalto-hiukkasdualisuudesta.
On syytä huomata, että valosähköinen ilmiö (elektronien emittoituminen pinnasta fotonien vaikutuksesta) eroaa fotovoltaalisesta ilmiöstä, jossa sähkövoimaa tuotetaan puolijohteissa (aurinkokennot) johtuen eri fysikaalisista prosesseista, vaikka molemmissa valolla on keskeinen rooli.
Yhteenveto
Valosähköinen ilmiö tarjosi ratkaisevan todisteen valon kvanttisesta luonteesta ja oli avain Einsteinin ja muiden tutkijoiden työssä kvanttiteorian kehityksessä. Sen selitys — fotonien energia, työnfunktio ja riippuvuus taajuudesta — on edelleen keskeinen konsepti sekä perustutkimuksessa että tekniikan sovelluksissa.
Kaavio, joka osoittaa, miten elektronit emittoituvat metallilevystä.
Mekanismi
Kaikki sähkömagneettiset aallot eivät aiheuta valosähköistä vaikutusta, vaan ainoastaan tietyn tai sitä korkeamman taajuuden säteily aiheuttaa sen. Tarvittavaa vähimmäistaajuutta kutsutaan "katkaisutaajuudeksi" tai "kynnystaajuudeksi". Rajataajuutta käytetään työfunktion w {\displaystyle w} löytämiseksi. 
, joka on energiamäärä, joka pitää elektronin kiinni metallipinnassa. Työfunktio on metallin ominaisuus, eikä tuleva säteily vaikuta siihen. Jos metallipintaan osuu valon taajuus, joka on suurempi kuin raja-arvotaajuus, emittoituvalla elektronilla on jonkin verran liike-energiaa.
Valosähköisen ilmiön aiheuttavan fotonin energia saadaan E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} 
missä h {\displaystyle h}
on Planckin vakio, 6,626×10 −34J-s, f {\displaystyle f}
on sähkömagneettisen aallon taajuus, K E {\displaystyle KE}
on fotoelektronin liike-energia ja w {\displaystyle w} on metallin työfunktio. Jos fotonilla on paljon energiaa, voi tapahtua Comptonin sironta (~ tuhansia eV) tai parituotanto (~ miljoonia eV).
Pelkkä valon voimakkuus ei aiheuta elektronien sinkoutumista. Vain valolla, jonka taajuus on katkaisutaajuus tai korkeampi, voidaan tehdä se. Valon voimakkuuden lisääminen lisää kuitenkin elektronien emittoitumista, kunhan taajuus on yli rajataajuuden.
Historia
Heinrich Hertz teki ensimmäisen havainnon valosähköisestä ilmiöstä vuonna 1887. Hän raportoi, että kipinä hyppäsi helpommin kahden varautuneen pallon välillä, jos niihin paistoi valoa. Hertzin havaitseman vaikutuksen selvittämiseksi tehtiin lisätutkimuksia. Vuonna 1902 Philipp Lenard osoitti, että fotoelektronin liike-energia ei riipu valon voimakkuudesta. Einstein esitti kuitenkin vasta vuonna 1905 teorian, joka selitti vaikutuksen täysin. Teorian mukaan sähkömagneettinen säteily on sarja hiukkasia, joita kutsutaan fotoneiksi. Fotonit törmäävät pinnalla oleviin elektroneihin ja emittoivat niitä. Tämä teoria oli vastoin käsitystä, jonka mukaan sähkömagneettinen säteily oli aalto. Niinpä sitä ei aluksi tunnustettu oikeaksi. Vuonna 1916 Robert Millikan julkaisi tyhjiövaloputkella tehtyjen kokeiden tulokset. Hänen työnsä osoitti, että Einsteinin valosähköinen yhtälö selitti käyttäytymisen hyvin tarkasti. Millikan ja muut tiedemiehet olivat kuitenkin hitaampia hyväksymään Einsteinin teoriaa valokvantteista. Maxwellin sähkömagneettisen säteilyn aaltoteoria ei voi selittää valosähköistä ilmiötä ja mustan kappaleen säteilyä. Nämä selitetään kvanttimekaniikalla.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on valosähköinen ilmiö?
V: Valosähköinen ilmiö on fysiikan ilmiö, jossa sähkömagneettinen säteily koostuu fotoneiksi kutsutuista hiukkasista, ja kun ne osuvat metallipinnalla oleviin elektroneihin, elektroni voi emittoitua muodostaen fotoelektroneja.
K: Kuka löysi valosähköisen ilmiön?
V: Heinrich Rudolf Hertz löysi valosähköisen ilmiön.
K: Miksi valosähköistä vaikutusta kutsutaan myös Hertz-ilmiöksi?
V: Valosähköistä vaikutusta kutsutaan myös Hertz-ilmiöksi, koska sen löysi Heinrich Rudolf Hertz.
K: Mikä on aalto-hiukkasdualismi?
V: Aalto-hiukkasdualismi on valosähköisen ilmiön ansiosta kehitetty käsite, joka auttoi fyysikoita ymmärtämään valon ja elektronien kvanttiluonnetta.
K: Kuka ehdotti valosähköisen ilmiön lakeja?
V: Albert Einstein ehdotti valosähköisen ilmiön lakeja.
K: Mikä oli valosähköisen ilmiön vaikutus fysiikkaan?
V: Valosähköinen ilmiö on auttanut fyysikoita ymmärtämään valon ja elektronien kvanttiluonnetta, kehittänyt aalto-hiukkasdualiteetin käsitteen ja vaikuttanut fysiikan Nobel-palkinnon vuonna 1921 saaneen Albert Einsteinin ehdottamiin valosähköisen ilmiön lakeihin.
Kysymys: Millä nimellä kutsutaan valosähköisessä ilmiössä emittoituvia elektroneja?
V: Valosähköisessä ilmiössä metallipinnasta emittoituvia elektroneja kutsutaan fotoelektroneiksi.
Etsiä