Фотоелектричен ефект

Нобеловата награда по физика за 1921 г. е присъдена на Алберт Айнщайн със следните мотиви "За неговите заслуги към теоретичната физика и особено за откриването на закона за фотоелектричния ефект". Да си припомним основните моменти от историята на това явление, което изиграва важна роля в изграждането на квантова физика.

През 1887 г. Хайнрих Херц открива, че под въздействие на подходяща светлина, от повърхността на телата се отделят електрони. Явлението е наречено външен фотоелектричен ефект (накратко – фотоефект).

Изследването на явлението чрез т.н. фотоклетка (вакуумиран стъклен съд, в който между метален катод и анод се прилага напрежение около 100 V), установява следните основни зависимости:

1. Фотоефектът е практически безинерционно явление, т.е. електроните се отделят веднага след осветяването на катода на фотоклетката.

2. Ако осветяването на катода се извърши с монохроматична светлина, броят на електроните отделени за единица време от повърхността му е правопропорционален на интензитета на светлината.

3. Светлина с дължина на вълната λ по – голяма от определена за конкретен катод дължина λmax (λ > λ _max) не предизвиква фотоефект. Стойността на λ _max се нарича червена граница на фотоефекта.

4. Максималната Ек = mv²_max/2, с която се отделят електроните от катода, не зависи от интензитета на светлината, а зависи единствено от нейната честота.

Установените зависимости не намират логично обяснение в общата теория на електромагнитните явления на Дж.К.Максуел. Този  факт, както и много други, пораждат обоснована необходимост от промяна на разбирането за истинската природа на светлината.

През 1905 г. Алберт Айнщайн развива квантовите идеи на Макс Планк, като допуска, че светлината не само се излъчва, но и поглъща на порции - кванти с енергия Е = hν (константа на Планк h= 6,63.10^-34 J.s, честота ν (Hz) на електромагнитната вълна). Според квантовото разбиране светлината има двойствена природа – проявява се като електромагнитна вълна с определена дължина и честота и като поток от особени светлинни частици – фотони носители на квантите. Фотоните съществуват само в движение със скоростта на светлината с = 3.10⁸ m/s. При взаимодействие с веществото съгласно законите за запазване се излъчват и поглъщат само цели фотони.

При поглъщане на фотон от метал, неговата енергия hν се предава изцяло на един електрон от повърхността на метала. Получената порция енергия се изразходва в две посоки:

–  за извършване на т.н. отделителна работа А за откъсване на електрона от металната повърхност срещу силите на привличане от йоните в металната кристална решетка

–  за превръщане на останалата част от енергия на фотона в кинетична енергия Ек на отделения електрон

Съгласно закона за запазване на енергията Айнщайн записва следното уравнение (закон), което днес носи неговото име: 

hν = А + mv²_max/2 

Когато енергията на фотона е недостатъчна Е = hν≤ А т.е. след червената граница λ > λ _max (или при ν< ν_min), фотоефект не се наблюдава.

Ако енергията е достатъчна – фотоефектът настъпва мигновено, практически без никакво закъснение.

Чрез уравнението на Айнщайн се обяснява лесно правопропорционалната зависимост на Ек_max от честотата. При по – голяма честота на използваната светлина и постоянна отделителна работа А за конкретен метал, по – голяма ще бъде и кинетичната енергия на откъсналите се фотоелектрони.

Нарастването на интезитета на светлината разбираме като увеличение на броя на фотоните и съответно на отделените вследствие на това електрони.