Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο
Από τη Βικιπαίδεια, την ελεύθερη εγκυκλοπαίδεια
Το Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο κατά το οποίο εξάγονται ηλεκτρόνια από μια μεταλλική επιφάνεια όταν προσπέσει σε αυτή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία κατάλληλης συχνότητας.
Πίνακας περιεχομένων |
[Επεξεργασία] Εισαγωγή/Έργο εξαγωγής 
Τα μέταλλα αποτελούνται από θετικά ιόντα, τοποθετημένα συμμετρικά σε κρυσταλλικό πλέγμα. Στο εσωτερικό του μετάλλου υπαρχουν εγκλωβισμένα ελεύθερα ηλεκτρόνια δηλαδή ηλεκτρόνια που δεν ανήκουν στα ιόντα του μετάλλου. Πάνω σε αυτά ασκούνται δυνάμεις από τα θετικά ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι δυνάμεις αυτές έχουν τυχαίες διευθύνσεις και για αυτό μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η συνολική δύναμη πάνω σε κάθε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο είναι μηδέν. Σαν αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια μπορουν να κινούνται ελεύθερα μέσα στο μέταλλο.
Όταν ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια λόγω της ταχύτητάς του καταφέρει να απομακρυνθεί από το μέταλλο, πάνω του ασκούνται ελκτικές δυνάμεις από τα ιόντα του πλέγματος αλλά αυτή τη φορά η συνολική δύναμη είναι τέτοια που τείνει να επαναφέρει το ηλεκτρόνιο στην επιφάνεια του μετάλλου.
Για να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να υπερνικήσει τις ελκτικές δυνάμεις και να διαφύγει οριστικά πρέπει να έχει αρκετή κινητική ενέργεια (σύμβολο 
). Στις συνήθεις όμως συνθήκες η μέγιστη κινητική ενέργεια (σύμβολο 
) των ελεύθερων ηλεκτρονίων δεν είναι αρκετή για να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις. Έτσι για να μπορέσει ένα ηλεκτρόνιο να διαφύγει χρειάζεται να του δοθεί με κάποιο τρόπο επιπλέον ενέργεια.
Η ελάχιστη ενέργεια που πρέπει να προσφερθεί σε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο ώστε να μπορέσει να εγκαταλείψει οριστικά την επιφάνεια του μετάλλου ονομάζεται έργο εξαγωγής ή έργο εξόδου (σύμβολο ) του μετάλλου και είναι ένα μέγεθος χαρακτηριστικό για κάθε μέταλλο. Η ενέργεια μπορεί να προσφερθεί με θέρμανση του μετάλλου ή με φωτισμό της επιφάνειάς του με κατάλληλη ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια ονομάζονται και φωτοηλεκτρόνια.
[Επεξεργασία] Νόμοι του Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου
Πειραματικά έχει διαπιστωθεί ότι για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ισχύουν οι παρακάτω νόμοι:
- Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει μόνο όταν η προσπίπτουσα στη μεταλλική επιφάνεια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει συχνότητα μεγαλύτερη ή ίση από μια ορισμένη τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται οριακή συχνότητα ή διαφορετικά συχνότητα κατωφλίου (σύμβολο
). - Αν η συχνότητα της ακτινιβολίας είναι τέτοια που μπορεί να προκαλέσει εξαγωγή ηλεκτρονιών τότε ο αριθμός των ηλεκτρoνίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος της έντασης (σύμβολο
) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. - Η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό της επιφάνειάς του (για την ακρίβεια ο χρόνος από το φωτισμό του μετάλλου μέχρι την εκπομπή φωτοηλεκρονίων είναι μικρότερος του 10-9s).
- Η μέγιστη κινητική ενέργεια με την οποία τα φωτοηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το μέταλλο είναι γραμμική συνάρτηση της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, εξαρτάται από το έργο εξαγωγής του μετάλλου αλλά είναι ανεξάρτητη της έντασης της ακτινοβολίας.
[Επεξεργασία] Αδυναμίες της Κλασσικής Φυσικής στην ερμηνεία του Φωτοηλεκρικού φαινομένου
Η κλασσική φυσική υπόστηρίζει ότι ένα σώμα απορροφά ή εκπέμπει ενέργεια κατά τρόπο συνεχή και έτσι αδυνατεί να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Συγκεκριμένα:
- Η κλασσική φυσική δεν προβλέπει την ύπαρξη συχνότητας κατωφλίου. Αντίθετα προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων είναι δυνατή για οποιαδήποτε συχνότητα εφόσον περνούσε αρκετός χρόνος φωτισμού του μετάλλου. Στην πραγματικότητα όμως αν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μικρότερη της συχνότητας κατωφλίου όσος χρόνος και να περάσει τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να απορροφήσουν αρκετή ενέργεια ώστε να διαφύγουν από το μέταλλο.
- Η κλασσική φυσική προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται μετά από την παρέλευση ορισμένου χρονικού διαστήματος από τη στιγμή φωτισμού του μέχρι να αποκτήσουν αρκετή κινητική ενέργεια. Στην πραγματικότητα όμως τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό του μετάλλου ακόμα και όταν η ένταση της ακτινοβολίας είναι μικρή.
- Η κλασσική φυσική προβλέπει ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων αυξάνεται όσο αυξάνεται η ένταση της προσπίτουσας ακτινοβολίας. Στην παραγματικότητα όμως η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων βρέθηκε να είναι ανεξάρτητη της έντασης. Βρέθηκε ότι εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της ακτινοβολίας.
[Επεξεργασία] Ερμηνεία
Η ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε το 1905 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν που πήρε το βραβείο Νόμπελ για αυτή του την εργασία. Για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν είναι ισοκατανεμημένη στο κυματικό μέτωπο αλλά μεταφέρεται σε διακριτές ποσότητες που ονομάζονται φωτόνια. Η διαπίστωση αυτή αποτέλεσε, μαζί με την ερμηνεία της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος από τον Πλανκ και την παρατήρηση του φαινομένου Κόμπτον (Compton) το θεμέλιο της θεωρίας για τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό του φωτός αλλά και της πρώϊμης Κβαντικής Μηχανικής. Έτσι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας 
αποτελείται από μια δέσμη φωτονίων που όλα έχουν ενέργεια:
Η ολική ενέργεια της δέσμης που αποτελείται από 
φωτόνια είναι:
Ο Αϊνστάιν θεώρησε ότι κάθε φωτόνιο όταν δίνει την ενέργειά του τη δίνει ολόκληρη και μόνο σε ένα ηλεκτρόνιο κάθε φορά και επιπλεόν μόνο εάν είναι αρκετή για να απελευθερώσει το ηλεκτρόνιο από τις ελκτικές δυνάμεις του μετάλλου. Έτσι από την ενέργεια του φωτονίου μέρος χρησιμοποιείται για να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις του μετάλλου και η υπόλοιπη μένει στο ηλεκτρόνιο ως κινητική ενέργεια. Έτσι έχουμε την ακόλουθη εξίσωση η οποία ονομάζεται και φωτοηλεκτρική εξίσωση του Άινσταιν:
