Mengapakah Cahaya Lebih Terang Tidak Semestinya Membebaskan Elektron?

Apabila cahaya dengan frekuensi yang sesuai mengenai permukaan bahan tertentu, elektron boleh dibebaskan daripadanya. Namun eksperimen menunjukkan sesuatu yang tidak mudah diterangkan jika tenaga cahaya dianggap disalurkan secara berterusan semata-mata: bagi sesuatu bahan terdapat frekuensi ambang. Di bawah frekuensi ini, meningkatkan keamatan cahaya tidak menyebabkan elektron dibebaskan. Fenomena ini dinamakan kesan fotoelektrik.

Setiap foton membawa tenaga tertentu

Dalam penerangan kuantum, cahaya elektromagnet berfrekuensi f terdiri daripada foton yang masing-masing membawa tenaga E = hf, dengan h ialah pemalar Planck. Maka frekuensi menentukan tenaga setiap foton, dan foton berfrekuensi lebih tinggi mempunyai tenaga lebih besar. Oleh sebab c = fλ dalam vakum, frekuensi yang lebih tinggi bersamaan dengan panjang gelombang yang lebih pendek.

Elektron pada permukaan bahan tidak semestinya bebas meninggalkan bahan. Sejumlah tenaga minimum diperlukan untuk membebaskannya. Bagi permukaan yang dibincangkan dalam model fotoelektrik mudah, tenaga minimum ini disebut fungsi kerja, φ.

Frekuensi ambang

Einstein menerangkan keseimbangan tenaga bagi elektron foto yang paling bertenaga melalui Kₘₐₓ = hf − φ, dengan Kₘₐₓ ialah tenaga kinetik maksimum elektron yang dibebaskan. Pada ambang pembebasan, Kₘₐₓ = 0, maka hf₀ = φ atau f₀ = φ/h. Di sini f₀ ialah frekuensi ambang bagi bahan tersebut. Jika f < f₀, tenaga satu foton tidak mencukupi untuk mengatasi fungsi kerja dalam model fotoelektrik satu-foton ini, dan elektron tidak dibebaskan walaupun keamatan cahaya ditingkatkan.

Jika f > f₀, foton mempunyai tenaga yang mencukupi, dan lebihan tenaga selepas elektron dibebaskan muncul sebagai tenaga kinetik elektron. Oleh itu meningkatkan frekuensi di atas ambang boleh meningkatkan tenaga kinetik maksimum elektron.

Jadi, apakah yang dilakukan oleh cahaya lebih terang?

Keamatan dan frekuensi memainkan peranan yang berlainan. Bagi cahaya monokromatik dengan frekuensi tetap, meningkatkan keamatan bermaksud lebih banyak tenaga cahaya tiba per unit luas per unit masa. Dalam penerangan foton, ini biasanya bermaksud lebih banyak foton tiba dalam tempoh tertentu.

Jika frekuensi sudah melebihi ambang, lebih banyak foton lazimnya menyebabkan lebih banyak elektron dibebaskan dan arus foto meningkat, selagi keadaan eksperimen tidak mengehadkan pengumpulan elektron. Namun tenaga maksimum setiap elektron tidak meningkat hanya kerana cahaya menjadi lebih terang jika frekuensi tidak berubah. Eksperimen menunjukkan bahawa keamatan lebih tinggi meningkatkan arus foto, sedangkan voltan henti yang berkaitan dengan Kₘₐₓ kekal sama bagi frekuensi yang sama. Jika frekuensi berada di bawah ambang, menambah bilangan foton yang masing-masing tidak cukup bertenaga tetap tidak menghasilkan kesan fotoelektrik satu-foton yang dibincangkan di sini.

Bagaimanakah tenaga elektron diukur?

Elektron yang dibebaskan boleh menghasilkan arus elektrik antara elektrod. Penyelidik boleh mengenakan beza keupayaan yang menentang gerakan elektron, dan apabila beza keupayaan lawan cukup besar sehingga arus foto turun kepada sifar, nilainya disebut keupayaan henti. Magnitudnya memberikan ukuran tenaga kinetik maksimum, Kₘₐₓ = eVₛ, dengan e magnitud cas elektron dan Vₛ magnitud keupayaan henti.

Jika eksperimen diulang pada beberapa frekuensi, graf Kₘₐₓ melawan f menghasilkan hubungan linear, Kₘₐₓ = hf − φ. Kecerunan graf ialah h, manakala persilangan dengan paksi frekuensi memberikan frekuensi ambang. Ini membolehkan model kuantum diuji secara kuantitatif, bukan sekadar diterima sebagai analogi.

Cahaya itu gelombang atau zarah?

Kesan fotoelektrik menunjukkan bahawa pertukaran tenaga antara cahaya dengan bahan berlaku secara terkuantum dan diterangkan menggunakan foton. Ia tidak bermaksud semua sifat cahaya boleh diterangkan dengan model zarah klasik. Fenomena seperti interferens dan pembelauan menunjukkan sifat gelombang cahaya, dan fizik kuantum tidak memerlukan kita memilih bahawa cahaya sebenarnya hanya gelombang atau hanya zarah kecil klasik. Model kuantum memberikan ramalan mengikut eksperimen yang dilakukan, dan Nobel Prize mencatat bahawa persoalan sifat gelombang dan kuantum cahaya merupakan bahagian penting dalam perkembangan teori kuantum.