Foto-elektrisch effect

Van Wikipedia

Het foto-elektrisch effect is het verschijnsel dat elektronen, die niet zo sterk gebonden zijn aan een atoom, loskomen nadat ze voldoende energie opnamen van een invallende lichtgolf. Het fenomeen werd ontdekt door Heinrich Hertz in 1887 tijdens zijn experimenten met elektromagnetische golven. Door een metaal te bestralen kon er elektrische stroom opgewekt worden. Later zou Philipp Lenard een verband zien tussen de frequentie van de gebruikte straling en de grootte van de opgewekte stroom (in dit geval het aantal uitgestoten elektronen). In de gedachtengang van de toenmalige fysici was er enkel een verband mogelijk met de intensiteit van de straling, niet met de frequentie. Dit was niet het enige vreemde gedrag van de elektronen: de spanning die nodig was om de uitgestoten elektronen te stoppen (de remspanning) bleek enkel afhankelijk van de frequentie en niet van de intensiteit. Dit was volledig in tegenspraak met de golftheorie op dat moment.

Wanneer twee geleidende platen - bijvoorbeeld in een vacuumbuis (weggelaten in de figuur) - via een gelijkspanningsbron verbonden zijn zal een van de twee een positieve lading krijgen en de andere een negatieve lading. Wanneer licht op de negatieve plaat valt worden er elektronen uitgezonden (geëmitteerd), waardoor er een stroom gaat lopen in het circuit. Dit is het foto-elektrisch effect. Dit gebeurt echter niet als het invallende licht een te lage frequentie heeft, ook al is de lichtsterkte nog zo groot. Dit effect is niet te verklaren met de klassieke Maxwell theorie van elektromagnetisme die stelt dat licht is opgebouwd uit golven en heeft aan de wieg gestaan van het besef van dualiteit van golven en deeltjes.

Max Planck had in 1900 al laten zien, dat licht in karakteristieke energiepakketjes (kwantum) komt: het startpunt van de Oude Kwantummechanica. De energie van licht is rechtevenredig met de frequentie van het licht. Albert Einstein werkte dit idee in 1905 verder uit en paste het toe op het foto-elektrisch effect:

• om een elektron vrij te maken uit de geleider is een bepaalde energie (W van work) nodig
• licht is opgebouwd uit lichtkwanta ofwel fotonen.
• deze fotonen kunnen niet "samenwerken" om een elektron vrij te maken

Hieruit volgt direct dat elektronen alleen kunnen worden vrijgemaakt wanneer de frequentie van het opvallende licht groot genoeg is.

In formulevorm:

E_k = hf - W

Waarbij:

• E_k de kinetische energie van het ontsnappende deeltje
• h de Planck-constante = 6,63*10^-34 J*s
• f de frequentie van het licht
• hf de energie van een foton
• W de energie (workfunction) die nodig is om het elektron vrij te maken uit de geleidende plaat.

Voor dit werk ontving Einstein in 1921 de Nobelprijs natuurkunde.

Toepassingen van het foto-elektrisch effect zijn onder meer bewegingsdetectoren, geluid in films en de rookdetector met licht.