Fotoelektrični efekt

Fotoelektrični efekt (Heinrich Rudolf Hertz, 1887. godine otkrio, a ne i objasnio fotoelektrični efekt) je bio zagonetka u fizici do početka 20. stoljeća, a njegovo otkriće je odigralo ključnu ulogu u razvoju moderne fizike jer je nedvosmisleno pokazao kvantnu prirodu procesa u mikrosvijetu. Imenom fotoelektričnog efekta je nazvana pojava kada svjetlost određene valne dužine padne na površinu metala (npr. cinka ili natrija) iz njega izbija elektrone.

Applet simulira eksperiment kojim se proučava fotoelektrični efekt. Ƈivina svjetiljka (gornji lijevi kut) emitira bijelu svjetlost koja se propušta kroz filtar da se iz nje izdvoji svjetlost izabrane boje. Ta svjetlost pada na katodu (K) napravljenu od tvari koja se promatra i izaziva pojavu naelektriziranja. Električni naboji se kreću ka anodi (A), i mogu se kočiti djelovanjem električnog polja između anode i katode koje nastaje kao posljedica promjene napona kočenja. U dnu appletske površine su prikazani instrumenti koji mjere napon kočenja (plavi) i jakost električne struje koja teče između anode i katode (crveni).

Fotoelektrični efekt se simulira tako što se najprije izabere tvar koja se proučava. Zatim se bira boja filtara koji se koristi, odnosno valna dužina svjetlosti koju filtar propušta. Applet izračunava i ispisuje frekvenciju svjetlosti. Slijedeći korak je povećavanje napona kočenja dok se struja između katode i anode zaustavi (pri određenim kombinacijama tvari i boje, na primjer pri početnoj kombinaciji cezij i žuta boja, fotoelektričnog efekta nema pa nema ni potrebe za naponom kočenja). Po zaustavljanju toka električne struje, na grafu ovisnosti kočnog napona o frekvenciji svjetlosti (donji lijevi kut) se ucrtava točka. Kada se eksperiment ponovi sa svim bojama, u grafikon se ucrtava pravac ovisnosti napona kočenja o frekvenciji za izabranu tvar. Potom se mijenja materijal katode i eksperiment ponavlja dok se sva tri materijala ispitaju. Serija eksperimenata se može iznova započeti pritiskom na tipku [Mjerenja su završena].

Fotoelektrični efekt je objasnio (i zato 1921. godine dobio Nobelovu nagradu) Albert Einstein 1905. godine. On je iskoristio ideju Herberta Plancka da iako je svjetlost val, ona može predavati i primati energiju od atoma samo u određenim "paketićima" - kvantima; veličina kvanta ovisi o boji (valne dužine, odnosno frekvencije) svjetlosti. Energija jednog kvanta svjetlosti (nazvanog foton) Ef je dana jednadžbom Ef = h*f, gdje h predstavlja Planckovu konstantu, a f frekvenciju svjetlosti. Planckovoj hipotezi Einstein 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 doprinijelo i otkriće da su nosioci električnog naboja u metalu električki negativno nabijeni elektroni. Kombinirajući sva tada moderna znanja i hipoteze Einstein je dao jednadžbu koja opisuje energetsku bilancu fotoelektričnog efekta:

Ekin   =   h * f   –   W

Ekin ... kinetička energija emitiranog elektrona
h ..... Planckova konstanta (6.626 x 10-34 Js)
f ..... frekvencija svjetlosti
W ..... izlazni rad

Ta jednostavna pretpostavka objašnjava u potpunosti fotoelektrični efekt:

Simulaciju eksperimenta treba ponoviti nakon objašnjenja, jer se u njemu ispisuju vrijednosti izlaznog rada, energije fotona i maksimalne kinetičke energije koju elektron ima pri napuštanju metala. Također treba obratiti pažnju da su pravci koje prikazuju ovisnosti napona kočenja o frekvenciji svjetlosti paralelni; Einsteinova jednadžba i to predviđa i omogućuje određivanje Planckove konstante iz ovog eksperimenta jer je prema njoj taj nagib proporcionalan Planckovoj konstanti. Na kraju, iz tog grafa je moguće odrediti i izlazni rad, jer Einsteinova jednadžba pokazuje da je izlazni rad na grafu jednak vrijednosti presjeka pravca s vertikalnom osom.

 

 
Fizika
Appleti za Fiziku

URL: http://www.walter-fendt.de/ph14cr/photoeffect_cr.htm
© Walter Fendt, 20. veljače 2000.
© Prijevod i obrada: Ivan Karšaj
Zadnja izmjena: 8. veljače 2006.