Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, po raz pierwszy opisane przez Alberta Einsteina (1879 – 1955), to zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (np. metalowej płytki). Może się wydawać, że zjawisko to jest dosyć ‘egzotyczne’ i nie warto sobie zaprzątać nim głowy. W rzeczywistości jednak zastosowania zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego są na tyle powszechne, że większość osób, świadomie bądź nie, doświadcza go na co dzień.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – opis

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu pod wpływem światła (strumienia fotonów), o określonej częstotliwości ν, padającego na jego powierzchnię. Emisja elektronów, nazywanych również fotoelektronami, zachodzi tylko wtedy, gdy energia fotonów padających na powierzchnię przedmiotu równa jest co najmniej pewnej minimalnej energii W.  Energia W , nazywana pracą wyjścia to wielkość charakterystyczna materiału, z którego wykonano przedmiot. Praca wyjścia równa jest najmniejszej energii, jaką foton musi dostarczyć elektronowi, aby ten mógł opuścić powierzchnię przedmiotu i stać się elektronem swobodnym.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – zasada zachowania energii

Zasadę zachowania energii dla zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego opisuje poniższe równanie:

$$h \hspace{.05cm} \nu = W + E_k$$

gdzie:
h  – stała Plancka równa 6,626 ⋅ 10^-34 J ⋅ s,
ν  – częstotliwość drgań fotonu,
W  – praca wyjścia elektronu z powierzchni przedmiotu,
E_k  – energia kinetyczna wybitego elektronu.

Powyższa zależność, zwana równaniem Millikana-Einsteina, opisuje sytuację, w której pojedynczy foton o energii h ν  ulega pochłonięciu (absorpcji) przez przedmiot o pracy wyjścia W. Energia fotonu przekazywana jest pojedynczemu elektronowi w materiale, z którego został wykonany przedmiot. Jak napisaliśmy wyżej, emisja elektronu zachodzi tylko i wyłącznie wtedy, gdy energia fotonu jest równa co najmniej pracy wyjścia W  (h ν = W ). W przypadku gdy energia h ν , jaką foton przekazuje elektronowi, jest większa od pracy wyjścia W  (h ν  > W ), wówczas elektron, dzięki tej ‘nadwyżce’ energii, uzyskuje pewną dodatkową energię – energię kinetyczną. Z kolei, gdy energia fotonu jest mniejsza od pracy wyjścia tj. h ν  < W , wówczas elektron nie zostaje uwolniony. W tym miejscu należy zaznaczyć, że:

Na uwagę zasługuje fakt, że za teoretyczne wyjaśnienie zjawiska fotoelektrycznego Albert Einstein uhonorowany został nagrodą Nobla z fizyki za rok 1921. Doświadczalne potwierdzenie słuszności teorii Einsteina, opierającej się o kwantową naturę światła (zobacz: Definicja kwantu. Foton i jego energia), przyniosły eksperymenty przeprowadzone przez amerykańskiego fizyka Roberta Millikana (1868 – 1953). Co więcej, doświadczenia te pozwoliły na bardzo dokładne wyznaczenie wartości stałej Plancka (h  we wzorze opisującym energię fotonu). Wkład Millikana w prace nad potwierdzeniem kwantowej natury efektu fotoelektrycznego został podwójnie doceniony: nagrodą Nobla z fizyki za rok 1923 oraz nazwaniem jego nazwiskiem (wspólnie z Einsteinem) zasady zachowania energii opisującej to zjawisko.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne – zastosowania

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne jest powszechnie wykorzystywane m.in. w fotokomórkach, fotodiodach, matrycach CCD w aparatach i kamerach cyfrowych, noktowizorach czy bateriach słonecznych. Zasada działania każdego z wymienionych urządzeń opiera się o wykorzystanie tego samego mechanizmu tj. generowaniu ładunków (elektronów) wskutek pochłaniania fotonów i wytwarzaniu dzięki temu prądu elektrycznego (tzw. fotoprądu).