Fotoelektrisk effekt
Den fotoelektriske effekt er et fænomen inden for fysikken. Effekten er baseret på idéen om, at elektromagnetisk stråling består af en række partikler kaldet fotoner. Når en foton rammer en elektron på en metaloverflade, kan elektronen blive udsendt. De udsendte elektroner kaldes fotoelektroner. Effekten kaldes også Hertz-effekten, fordi den blev opdaget af Heinrich Rudolf Hertz, men dette navn bruges ikke ofte. Den fotoelektriske effekt har hjulpet fysikere med at forstå lysets og elektronernes kvantekarakter. Begrebet bølge-partikel-dualitet blev udviklet på grund af den fotoelektriske effekt. Albert Einstein foreslog lovene om den fotoelektriske effekt og vandt Nobelprisen for fysik 1921.
Et diagram, der viser, hvordan elektroner udsendes fra en metalplade
Mekanisme
Det er ikke alle elektromagnetiske bølger, der forårsager den fotoelektriske effekt, men kun stråling med en bestemt frekvens eller højere vil forårsage effekten. Den nødvendige minimumsfrekvens kaldes "cutoff-frekvens" eller "tærskelfrekvens". Afskæringsfrekvensen bruges til at finde arbejdsfunktionen w {\displaystyle w} 
, som er den energimængde, der holder elektronen fast til metaloverfladen. Arbejdsfunktionen er en egenskab ved metallet og påvirkes ikke af den indkommende stråling. Hvis en lysfrekvens rammer metaloverfladen med en frekvens, der er højere end grænsefrekvensen, vil den udsendte elektron have en vis kinetisk energi.
Energien af en foton, der forårsager den fotoelektriske effekt, findes ved E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} 
, hvor h {\displaystyle h}
er Plancks konstant, 6,626×10 −34J-s, f {\displaystyle f}
er den elektromagnetiske bølges frekvens, K E {\displaystyle KE}
er fotoelektronens kinetiske energi, og w {\displaystyle w} er metallets arbejdsfunktion. Hvis fotonen har meget energi, kan der ske Compton-spredning (~ tusindvis af eV) eller pardannelse (~ millioner af eV).
Lysets intensitet alene forårsager ikke udstødning af elektroner. Det kan kun lys med den afskårne frekvens eller højere frekvens gøre det. Men hvis lysintensiteten øges, vil antallet af elektroner, der udsendes, stige, så længe frekvensen er over grænsefrekvensen.
Historie
Heinrich Hertz gjorde den første observation af den fotoelektriske effekt i 1887. Han rapporterede, at en gnist sprang lettere mellem to ladede kugler, hvis der skinnede lys på dem. Der blev foretaget yderligere undersøgelser for at få mere viden om den effekt, som Hertz havde observeret. I 1902 viste Philipp Lenard, at den kinetiske energi af en fotoelektron ikke afhænger af lysintensiteten. Det var dog først i 1905, at Einstein foreslog en teori, der forklarede effekten fuldt ud. Teorien siger, at elektromagnetisk stråling er en serie af partikler, kaldet fotoner. Fotonerne støder sammen med elektronerne på overfladen og udsender dem. Denne teori gik imod den opfattelse, at elektromagnetisk stråling var en bølge. Derfor blev den i begyndelsen ikke anerkendt som korrekt. I 1916 offentliggjorde Robert Millikan resultaterne af eksperimenter med et vakuumfotorør. Hans arbejde viste, at Einsteins fotoelektriske ligning forklarede adfærden meget præcist. Millikan og andre videnskabsmænd var dog langsommere til at acceptere Einsteins teori om lyskvanter. Maxwells bølgeteori om elektromagnetisk stråling kan ikke forklare den fotoelektriske effekt og sortkropstråling. Disse kan forklares ved hjælp af kvantemekanikken.
Spørgsmål og svar
Q: Hvad er den fotoelektriske effekt?
A: Den fotoelektriske effekt er et fænomen i fysikken, hvor elektromagnetisk stråling består af partikler kaldet fotoner, og når de rammer elektroner på en metaloverflade, kan elektronen blive udsendt og danne fotoelektroner.
Q: Hvem opdagede den fotoelektriske effekt?
A: Heinrich Rudolf Hertz opdagede den fotoelektriske effekt.
Q: Hvorfor kaldes den fotoelektriske effekt også for Hertz-effekten?
A: Den fotoelektriske effekt kaldes også Hertz-effekten, fordi den blev opdaget af Heinrich Rudolf Hertz.
Q: Hvad er bølge-partikel-dualitet?
A: Bølge-partikel-dualiteten er et begreb, der blev udviklet på grund af den fotoelektriske effekt, som hjalp fysikerne med at forstå lysets og elektronernes kvantenatur.
Q: Hvem foreslog lovene om den fotoelektriske effekt?
A: Albert Einstein foreslog lovene for den fotoelektriske effekt.
Q: Hvad var den fotoelektriske effekts bidrag til fysikken?
A: Den fotoelektriske effekt har hjulpet fysikere med at forstå lysets og elektronernes kvantenatur, udviklet begrebet bølge-partikel-dualitet og bidraget til lovene om den fotoelektriske effekt, som blev foreslået af Albert Einstein, der vandt Nobelprisen i fysik i 1921.
Q: Hvad kaldes de udsendte elektroner i den fotoelektriske effekt?
A: De elektroner, der udsendes fra metaloverfladen i den fotoelektriske effekt, kaldes fotoelektroner.
