Kesan Fotoelektrik: Apabila Cahaya Membebaskan Elektron

Apabila cahaya dengan frekuensi yang cukup tinggi mengenai permukaan bahan tertentu, terutamanya logam, elektron boleh terkeluar daripada permukaan itu. Elektron yang terlepas disebut fotoelektron. Fenomena ini penting kerana tingkah lakunya tidak dapat diterangkan hanya dengan gambaran klasik cahaya sebagai gelombang yang memindahkan tenaga secara berterusan. Dalam keadaan biasa, eksperimen menunjukkan bahawa frekuensi cahaya, bukan sekadar keamatannya, menentukan sama ada elektron boleh dibebaskan.

Setiap bahan mempunyai frekuensi ambang

Elektron dalam sesuatu bahan terikat dengan tenaga tertentu. Tenaga minimum yang diperlukan untuk membebaskan elektron daripada permukaan dipanggil fungsi kerja. Dalam model satu-foton, satu foton membawa tenaga E = hf, dengan h ialah pemalar Planck dan f ialah frekuensi cahaya. Jika hf lebih kecil daripada fungsi kerja, satu foton tidak mempunyai tenaga yang mencukupi untuk membebaskan elektron walaupun cahaya dipancarkan lebih lama atau dibuat lebih terang dalam rejim ini. Frekuensi minimum yang membolehkan pelepasan satu-foton disebut frekuensi ambang.

Tenaga foton dibahagi antara pembebasan dan gerakan elektron

Jika tenaga foton melebihi fungsi kerja, baki tenaga boleh muncul sebagai tenaga kinetik fotoelektron. Untuk elektron yang keluar dengan tenaga kinetik maksimum, hubungan ringkasnya ialah K maksimum = hf − fungsi kerja. Persamaan ini menerangkan mengapa meningkatkan frekuensi cahaya di atas ambang boleh meningkatkan tenaga kinetik maksimum elektron. Sebaliknya, menambah keamatan pada frekuensi yang sama tidak menaikkan tenaga setiap foton, jadi tenaga kinetik maksimum tidak berubah hanya kerana cahaya menjadi lebih terang.

Keamatan masih penting. Dalam rejim satu-foton pada frekuensi di atas ambang, cahaya yang lebih kuat biasanya membawa lebih banyak foton ke permukaan setiap unit masa. Ini boleh meningkatkan bilangan elektron yang dibebaskan dan seterusnya meningkatkan arus fotoelektrik, asalkan keadaan lain tidak mengehadkan pengumpulan elektron. Perbezaan antara bilangan elektron yang dibebaskan dengan tenaga maksimum setiap elektron ialah salah satu kunci memahami eksperimen ini.

Contoh pengiraan: cahaya 400 nm pada natrium

Tenaga foton boleh dikira daripada E = hc/λ. Bagi cahaya 400 nm, E = (6.626 × 10⁻³⁴ J s)(3.00 × 10⁸ m/s)/(4.00 × 10⁻⁷ m) ≈ 4.97 × 10⁻¹⁹ J, iaitu kira-kira 3.10 eV. Fungsi kerja natrium kira-kira 2.3 eV, jadi tenaga kinetik maksimum fotoelektron ialah 3.10 eV − 2.3 eV ≈ 0.8 eV, dan keupayaan henti kira-kira 0.8 V. Jika keamatan cahaya 400 nm digandakan pada keadaan pengumpulan yang sama dan belum mencapai arus tepu, kadar pelepasan fotoelektron dan arus fotoelektrik biasanya meningkat kira-kira sebanding, tetapi tenaga kinetik maksimum kekal kira-kira 0.8 eV. Cahaya 600 nm pula hanya membawa kira-kira 2.07 eV setiap foton, iaitu kurang daripada fungsi kerja, jadi tiada elektron dibebaskan walaupun keamatannya sangat tinggi dalam model satu-foton ini.

Keupayaan henti mengukur tenaga elektron paling bertenaga

Dalam susunan eksperimen, fotoelektron boleh ditarik ke elektrod pengumpul untuk menghasilkan arus. Jika beza keupayaan diterbalikkan, medan elektrik menentang gerakan elektron. Pada suatu nilai tertentu, bahkan fotoelektron paling bertenaga tidak lagi sampai ke pengumpul dan arus menjadi sifar. Nilai ini disebut keupayaan henti. Tenaga kinetik maksimum berkaitan dengan keupayaan henti melalui K maksimum = eV henti, dengan e ialah magnitud cas elektron.

Corak eksperimen mencabar model gelombang klasik sahaja

Jika tenaga cahaya diserap secara berterusan daripada gelombang klasik, cahaya yang sangat malap dijangka memerlukan masa sebelum elektron mengumpul tenaga yang cukup untuk terlepas, dan cahaya lebih kuat dijangka memberikan elektron tenaga maksimum yang lebih besar. Namun, pelepasan diperhatikan hampir serta-merta apabila frekuensi mencukupi, tenaga maksimum bergantung pada frekuensi, dan terdapat frekuensi ambang. Model foton menjelaskan ketiga-tiga ciri ini secara serentak tanpa menafikan bahawa cahaya juga menunjukkan sifat gelombang dalam eksperimen lain.

Sejarah ringkas: Hertz, Einstein dan Millikan

Heinrich Hertz memerhatikan pada 1887 bahawa cahaya ultraungu mempengaruhi percikan elektrik, dan Philipp Lenard kemudian mengkaji elektron yang dibebaskan oleh cahaya. Pada 1905, Albert Einstein menerangkan kesan itu dengan mencadangkan bahawa tenaga cahaya dipindahkan dalam kuantum hf. Robert Millikan menguji ramalan itu secara eksperimen dan menerbitkan keputusannya pada 1916. Einstein dianugerahkan Hadiah Nobel Fizik 1921 atas penjelasan kesan fotoelektrik.

Bahan sebenar lebih rumit daripada model satu fungsi kerja

Persamaan fotoelektrik asas paling mudah digunakan pada permukaan bersih dan keadaan eksperimen terkawal dalam rejim satu-foton. Dalam bahan sebenar, keadaan permukaan, struktur elektronik, pencemaran, suhu dan cara elektron bergerak di dalam bahan boleh mempengaruhi spektrum elektron yang terukur. Pada medan laser yang sangat kuat, beberapa foton juga boleh terlibat dalam satu proses pelepasan, jadi fotoemisi berbilang foton berada di luar model satu-foton ringkas ini. Oleh itu, fungsi kerja berguna sebagai parameter permukaan, tetapi analisis terperinci bahan moden memerlukan model jalur tenaga dan fizik keadaan pepejal yang lebih lengkap.

Bagaimana kita mengetahui hal ini?