Den fotoelektriske effekt er et centralt fænomen inden for fysikken. Effekten bygger på, at elektromagnetisk stråling kan optræde som partikler kaldet fotoner. Når en foton rammer et frit elektron i eller på overfladen af et metal, kan elektronen blive udsendt fra materialet. De udsendte elektroner kaldes fotoelektroner. Effekten omtales sommetider som Hertz-effekten, fordi den blev opdaget af Heinrich Rudolf Hertz, selvom denne betegnelse i praksis bruges sjældent. Den fotoelektriske effekt var afgørende for udviklingen af forståelsen af lysets og elektronernes kvantekarakter og bidrog til idéen om bølge-partikel-dualitet. Albert Einstein formulerede den kvantemekaniske forklaring af effekten i 1905 og modtog Nobelprisen i fysik i 1921 for dette arbejde.

Grundprincip og formel

Et enkelt foton har energien E = h·f, hvor h er Plancks konstant og f er fotonens frekvens. For at et elektron kan frigøres fra overfladen, skal fotonen have mindst den energi, som kræves for at overvinde materialets bindingsenergi for elektronerne, kaldet arbejdsfunktionen (ofte betegnet φ). Den kinetiske energi for en udsendt elektron er derfor givet ved Einsteins fotoelektriske ligning:

E_kin = h·f − φ

Der følger heraf en grænsefrekvens f0, hvor f0 = φ / h. Ved frekvenser under f0 udsendes ingen fotoelektroner, uanset intensiteten af den indfaldende stråling.

Vigtige eksperimentelle observationer

  • Tærskelfrekvens: Der findes en mindste frekvens (f0) under hvilken ingen elektroner udsendes, uanset strålingsintensiteten.
  • Øjeblikkelig emission: Elektroner udsendes praktisk talt øjeblikkeligt efter lysindfald (på meget korte tidsskalaer), hvilket viste, at energioverførslen sker i kvanta (fotoner) frem for kontinuerligt.
  • Afhængighed af frekvens, ikke intensitet: Den maksimale kinetiske energi af de udsendte elektroner afhænger kun af fotonens frekvens og ikke af lysintensiteten. En højere intensitet øger antallet af udsendte elektroner (strømmen), men ikke deres individuelle energier.
  • Stopspænding: Ved at anvende en modsat polariseret spænding kan man måle den stopspænding V_stop, som lige akkurat forhindrer strømmen af fotoelektroner. Sammenhængen er e·V_stop = h·f − φ (hvor e er elementarladningen), og denne metode bruges til at bestemme Plancks konstant og arbejdsfunktionen.

Materialeafhængighed og praktiske forhold

Arbejdsfunktionen φ varierer med materiale og overfladebehandling; rene metaller har typisk forskellige φ-værdier. Endvidere kan temperatur, oxidation og belægninger ændre fotoemissionens effektivitet. Kvantisk effektivitet (antal udsendte elektroner pr. indfaldende foton) er et vigtigt mål for praktiske enheder.

Einsteins forklaring og betydning

Einsteins forklaring var at antage, at hver foton overfører sin energi til ét elektron. Den fotoelektriske effekt gav dermed stærk støtte til kvantetanken, som tidligere var foreslået af Max Planck for at forklare sortlegemesstråling. Einsteins enkle kvantemodel forklarede alle de eksperimentelle træk ved effekten og var et afgørende skridt mod moderne kvantemekanik.

Anvendelser

  • Fotoceller og fotodetektorer (bruges i lysmålere, automatiske døre, sikkerhedssystemer).
  • Fotomultipliers og andre følsomme elektroniske detektorer til målinger af svagt lys.
  • Photoelectron spectroscopy (XPS/UPS) til analyse af materialers elektroniske og kemiske tilstande.
  • Relaterede fænomener anvendes i solceller, men bemærk at den fotovoltaiske effekt i solceller er en anden, men beslægtet proces, hvor fotoner skaber og separerer ladningsbærere i halvledere.

Historisk note

Den fotoelektriske effekt blev først observeret af Heinrich Rudolf Hertz. Senere udførte blandt andre Philipp Lenard vigtige eksperimenter, som viste de karakteristiske træk ved effekten. Einsteins teoretiske forklaring i 1905 var det afgørende gennembrud, som senere førte til udviklingen af kvantemekanikken.

Den fotoelektriske effekt er dermed både et fundamentalt fænomen i naturen og en praktisk basis for mange moderne teknologier.