Wstęp teoretyczny.

Efekt fotoelektryczny zewnętrzny jest jednym ze sposobów oddziaływania fali elektromagnetycznej, a więc i światła z materią. Zjawisko to polega na wybijaniu elektronów z powierzchni metalu (fotokatody) przez padającą wiązkę światła o odpowiedniej częstości. Zjawisko to miało ogromne znaczenie dla poznania praw fizyki rządzących mikroświatem i znacznie przyczyniło się do powstania na początku XIX wieku fizyki kwantowej. Zjawisko to posiadało cechy, których nie dało się wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej. Wyjaśnienie tego zjawiska wymagało zrewidowania poglądów na naturę światła traktowanego wyłącznie jako falę elektromagnetyczną.

Właściwą interpretację tego zjawiska podał Einstein odrzucając czysto falowy charakter światła i przyjmując fotonową teorię zjawiska fotoelektrycznego. Teoria ta traktuje światło jako strumień cząstek zwanych fotonami, gdzie każdy foton posiada energię równą:

E = hν

gdzie: h - stała Plancka, ν- częstotliwość światła.

Przy tym założeniu efekt fotoelektryczny jest zjawiskiem zderzenia dwóch cząstek: fotonu z elektronem metalu, na który pada światło. Dla takiego zderzenia Einstein napisał zasadę zachowania energii w postaci:

h ν= W + E_max

gdzie hν jest energią fotonu padającego na fotokatodę (metal), W - praca wyjścia elektronu, w który "uderza" foton, natomiast E_max jest maksymalną energią kinetyczną jaką może uzyskać elektron po wyjściu z fotokatody.

W większości przypadków energia elektronu będzie mniejsza na skutek strat wewnątrz metalu.

Korpuskularna teoria może wytłumaczyć wszystkie cechy zjawiska fotoelektrycznego:

• niezależność E_max od natężenia światła wynika z tego, że zwiększając natężenie zwiększamy tylko liczbę fotonów, a nie ich energię co zgodnie z równaniem Einsteina nie ma wpływu na energię elektronów.

• istnienie częstości granicznej zjawiska (częstości poniżej której fala nie wybija elektronów) jest warunkowane tym, że foton musi mieć pewną minimalną energię, równą pracy wyjścia W.

• brak opóźnienia zjawiska wybijania w czasie jest powodowany tym, że energia dostarczana jest w postaci skończonych porcji energii (fotonów).

Jeśli przekształcimy równanie Einsteina, otrzymamy zależność pomiędzy napięciem hamowania (napięciem pomiędzy katodą a anodą, które powoduje zanik przepływu fotoprądu) a częstotliwością padającej fali. Przy założeniu, że E_max = eV_h otrzymujemy:

V_h=hv/e-W/e

Teoria Einsteina przewiduje zatem liniowy związek pomiędzy potencjałem hamowania a częstotliwością.

Ogólnie można stwierdzić, że zjawisko fotoelektryczne potwierdza korpuskularną naturę światła, a łącznie ze zjawiskami np.: dyfrakcji, interferencji świadczy o dualizmie korpuskularno-falowym światła.