A fotoelektromos hatás
A fotoelektromos hatás (fotoeffektus, fényelektromos jelenség) a küszöbszintnél nagyobb frekvenciájú elektromágneses sugárzás (például látható fény vagy ultraibolya sugárzás) által egy anyag (leginkább fém) felszínén lévő elektronok kilökődése (kibocsátása). Nincs elektronkibocsátás a határfrekvencia alatt, mert a foton nem tud elég energiát biztosítani ahhoz, hogy az elektronok kilépjenek az atomos kötésből. A kibocsátott elektronokat gyakran fotoelektron néven említik a tankönyvek (ez csak eredetükre utal, minden tulajdonságukban azonosak más elektronokkal).
A fotoelektromos hatás tovább segítette a hullám-részecske kettősség felismerését, mely szerint a részecskék (jelen esetben fotonok) mind hullámszerű, mind részecskeszerű tulajdonságokkal rendelkeznek, és ezek az elképzelések a kvantummechanika kialakításában fontos szerepet játszottak. A fotoelektromos hatást Albert Einstein magyarázta meg 1905-ben, amiért megkapta az 1921. év Fizikai Nobel-díját.[1] Ezt a munkáját kiterjesztve Max Planck végzett jelentős kutatásokat.
A fényelektromos hatás, idegen szóval fotóeffektus, a következő jelenség. Ha egy fém felületét látható vagy ultraibolya fénnyel világítjuk meg, a fémből elektronok szabadulhatnak ki. De a kilépés csak akkor jön létre, ha a fény frekvenciája meghalad egy kritikus küszöbértéket. 1902-ből származik az a kísérleti eredmény, hogy a kilépő elektronok energiája nem a megvilágítás erősségétől, hanem a megvilágítás színétől, vagyis a fémre eső fény frekvenciájától függ. Ha ugyanolyan frekvenciájú, de erősebb (nagyobb intenzitású) fényt használunk, akkor a fémből kilépő elektronok energiája változatlan marad, csak az elektronok száma nő meg.
A klasszikus elektromosságtan szerint erősebb fényben az elektromos térerősség nagyobb, jobban megmozgatja a fém felszínén lévő elektronokat. A kiszakított elektronok energiája tehát a megvilágító fény intenzitásától függ. Ha a megvilágítás gyenge (de a fény frekvenciája a küszöbérték felett van), akkor a klasszikus elmélet szerint percekig kellene várnunk, hogy egyetlen elektron kiszakításához elegendő energia gyűljön össze.
Ezzel szemben megfelelő frekvencia esetén a valóságban azonnal megindul az elektronok kilépése. Viszont ha a fémre eső fény frekvenciája a küszöbérték alatt van, akkor akármilyen erős is a megvilágítás, akármennyi ideig is várunk, nem lépnek ki elektronok a fémből. A fényelektromos jelenséget tehát nem lehet a klasszikus fizika alapján megmagyarázni.
A fotoeffektus magyarázata
A fényelektromos hatás magyarázata közvetlenül adódik Einstein foton-modelljéből. Ahhoz, hogy a fém felszínéről egy elektront kiszakítsunk, valamekkora minimális energiára, az úgynevezett kilépési munkára van szükség, amit Wki-vel jelölünk. A kilépési munka a fém anyagára jellemző, értékét táblázatokban találhatjuk meg, nagysága a legtöbb fémre 1−10 eV körüli érték.
Elektronok csak akkor lépnek ki a fém felszínéről, ha a fémet megvilágító fényben az energiaadagok, vagyis a fotonok energiája nagyobb vagy egyenlő a kilépési munkánál. Ha egy elektron kiszakad a fémből, valamekkora mozgási energiára tesz szert, ami szintén a foton energiájából származik. Egy elektron kiszakításában egy foton vesz részt, a foton energiája fedezi az elektron kilépési munkáját, a többlet energia pedig a kilépő elektronmozgási energiáját szolgáltatja.
