Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je odigrao ključnu ulogu u razvoju savremene fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u mikrosvetu. Imenom fotoelektričnog efekta je nazvana pojava da se na površini metalne ploče pojavljuje negativno naelektrisanje kada se ploča osvetli. Otkriven prvo u cinku, kasnije je pronađen i kod drugih metala i postao je predmet širokih i detaljnih eksperimentalni istraživanja, koja su dovela do rezultata koji su bili misterija za dotadašnju nauku:

• Najvažnija osobina fotoelektričnog efekta je povezana sa zavisnošću fotoelektričnog efekta od talasne dužine i intenziteta svetlosti kojom se osvetljava metalna ploča: ako je talasna dužina manja od neke granice (koja zavisi od materijala) intenzitet efekta (kolićina nelektrisanja koja se pojavljuje na ploči) raste sa povećanjem intenziteta. Međutim, ako talasna dužina svetlosti prelazi tu granicu, fotoelektričnog efekta nestaje, bez obzira koliko intenzivna bila svetlost. Ovakvo ponašanje nije moglo da se objasni dotadašnjim poznavanjem fizike: teorija o svetlosti kao talasu nije mogla da objasni zašto veća količina energije ne može da izazove fotoelektrični efekat, jer je ta teorija predvižala da iste količine energije moraju da imaju iste efekte.
• Druga opažena osobina efekta je vezana za kretanje naelektrisanja koja napuštaju metalnu ploču. To kretanje se može zaustaviti ako se nelektrisanja koče spoljašnjim električnim poljem. Ekperimenti su pokazivali da veličina zakočnog napona uopšte ne zavisi od intenziteta svetlosti, već samo od njene talsane dužine. To se takože nije moglo objasniti teorijom o svetlosti kao talasu: ona je predviđala da će sa povežanjem intenziteta rasti zakočni napon koji neće zavisti od talasne dužine.

Aplet simulira eksperiment kojim se proučava fotoelektrični efekat. živina lampa (gornji levi ugao) emituje belu svetlost koja se propušta kroz filter da se iz nje izdvoji svetlost izabrane boje. Ta svetlost pada na katodu (K) napravljenu od materijala koji se proučava i izaziva pojavu naelektrisanja. Naelektrisanja se kreću ka anodi (A), i mogu se kočiti dejstvom električnog polja između anode i katode koje nastaje kao posledice primene zakočnog napona. U dnu apletu su prikazani instrumenti koji mere zakočni napon (plavi) i jačinu električne struje koja protiče između anode i katode (crveni).

Fotoelektrični efekat se simulira tako što se najpre izabere materijal koji se proučava. Zatim se bira boja filtra koji se koristi, odnosno talasna dužina svetlosti koju filtar propušta. Aplet izračunava i ispisuje frekvencu svetlosti. Sledeči korak je povećavanje zakočnog napona dok se struja izmežu katode i anode zaustavi (pri određenim kombinacijama materijala i boje, naprimer pri početnoj kombinaciji cezijum i žuta boja, fotoelektričnog efekta nema pa nema ni potrebe za zakoćnim naponom). Po zaustavljanju toka električne struje, na grafikon zavisnosti zakočnog napona od frekvence svetlosti (donji levi ugao) se ucrtava tačka. Kada se ekperiment ponovi sa svim bojama, u grafikon se ucrtava prava zavisnoti zakočnog napona od frekvence za izabrani materijal. Potom se menja materijal katode i eksperiment ponavlja dok se sva tri materijala ispitaju. Serija eksperimenata se može iznova zapoćeti pritiskom na dugme [Merenja su zavrsena].

Fotoelektrični efekat je objasnio (i zato dobio Nobelovu nagradu) Albert Ajnštajn 1905. godine: on je primenio ideju Herberta Planka da iako je svetlost talas, ona može da predaje i prima energiju od atoma samo u određenim porcijama - kvantima; veličina kvanta zavisi od boje (talasne dućine, odnosno frekvence) svetlosti. Energija jednog kvanta svetlosti (nazvanog foton) E_f je data jednačinom E_f = hf, gde h predstavlja Plankovu konstantu, a f frekvencu svetlosti. Plankovoj hipotezi Ajnštajn je dodao i pretpostavku da je za izlazak elektrona iz metala potrebna energija koja je ista za sve elektrone, koju je on nazvao izlazni rad. Treba dodati da je tome doprinelo i otkriće da su nosioci naelektrisanja u metalu negativno naelektrisani elektroni. Kombinujući sva tada moderna znanja i hipoteze Ajnštajn je dao jednačinu koja opisuje energetski bilans fotoelektričnog efekta:

E_kin ... kinetička energija emitovanog elektrona
h ..... Plankova konstanta (6,626  × 10⁻³⁴ Js)
f ..... frekvenca svetlosti
W ..... izlazni rad

Tako jednostavna (mada ne i intuitivna) pretpostavka objašnjava u potpunosti fotoelektrični efekat:

• Ukoliko je energija jednog kvanta svetlosti (fotona) h f manja od izlaznog rada W onda do fotoelektričnog efekta neće doći jer kinetička energija elektrona koji napušta metal ne može biti negativna; to znači da svetlost čija je frekvenca nedovoljno velika (odnosno talasna dužina prevelika) ne može da izazove fotoelektrični efekat: bez obzira koliko je veliki intenzitet (koliko fotona ima na raspolaganju) nijedan foton nema dovoljnu energiju da izbaci elektron iz metala.
• Prema Ajnštajnovoj jednačini kinetička energija elektrona ne zavisi od intenziteta svetlosti koja osvetljava metal; bez obzira koliko ima fotona, elektron prima energiju samo od jednog. Stoga i napon koji je potreban da se elektron zakoči ne zavisi od intenziteta svetlosti, već samo od njene talasne dužine (jer to određuje energiju fotona)i vrste materijala koji se osvetljava (jer to određuje izlazni rad).

Simulaciju eksperimenta treba ponoviti nakon objašnjenja, jer se u njemu ispisuju vrednosti izlaznog rada, energije fotona i maksimalne kinetičke energije koju elektron ima po napuštanju metala. Takođe treba obratiti pažnju da su prave koje prikazuju zavisnosti zakočnog napona od frekvence svetlosti paralelne; Ajnštajnova jednačina i to predviđa i omogućava određivanje Plankove konstante iz ovog eksperimenta jer je prema njoj taj nagib proporcionalan Plankovoj konstanti. Na kraju, iz tog grafikona je moguže odrediti i izlazni rad, jer Ajnštajnova jednačina pokazuje da je izlazni rad jednak na grafikonu vrednosti preseka prave sa vertikalnom osom.