Fényelektromos effektus és a fény részecske természete
A Albert Einstein (1879-1955) 1905-ben javasolta, hogy a fényt energiakvantumokként írjuk le, amelyek részecskékként viselkednek. A foton az elektromágneses sugárzás olyan részecskéje, amelynek tömege nulla, és egy energiakvantumot hordoz. A fény fotonjainak energiája a \(E = h \nu\) egyenlet szerint kvantálódik. A fényt sokáig csak hullámfogalmakkal írták le, és a klasszikus fizikán edződött tudósok nehezen fogadták el a fény hullám-részecske kettősségét. Az egyik kulcsfogalmat, amelyet Einstein a fény részecskejellegével magyarázott, fotoelektromos effektusnak nevezték.
A fotoelektromos effektus egy olyan jelenség, amely akkor következik be, amikor a fémfelületre érkező fény elektronok kilökődését okozza a fémből. Megfigyelték, hogy csak bizonyos frekvenciájú fény képes az elektronok kilökődését előidézni. Ha a beeső fény frekvenciája túl alacsony volt (például vörös fény), akkor nem lettek elektronok kilökve, még akkor sem, ha a fény intenzitása nagyon nagy volt, vagy ha sokáig világítottak a felületre. Ha a fény frekvenciája magasabb volt (például zöld fény), akkor az elektronok akkor is képesek voltak kilökődni a fémfelületről, ha az intenzitás nagyon alacsony volt, vagy ha csak rövid ideig világítottak rá. Ezt a minimális frekvenciát, amely az elektronok kilökődéséhez szükséges, küszöbfrekvenciának nevezik.
A klasszikus fizika nem tudta megmagyarázni a fotoelektromos hatást. Ha a klasszikus fizikát alkalmaznánk erre a helyzetre, akkor a fémben lévő elektron végül elegendő energiát gyűjthetne ahhoz, hogy kilökődjön a felületről, még akkor is, ha a bejövő fény alacsony frekvenciájú lenne. Einstein a fény részecskeelméletét használta a fotoelektromos hatás magyarázatára az alábbi ábrán látható módon.
A kis frekvenciájú fény (piros) nem képes az elektronok kilökődését okozni a fém felületéről. A küszöbfrekvenciánál vagy afölött (zöld) az elektronok kilökődnek. Még magasabb frekvenciájú bejövő fény (kék) ugyanannyi elektron kilökődését okozza, de nagyobb sebességgel.
Mondjuk a \(E = h \nu\) egyenletet. Az \(E\) az a minimális energia, amely szükséges ahhoz, hogy a fém elektronja kilökődjön. Ha a bejövő fény frekvenciája, \(\nu\), a küszöbfrekvencia alatt van, soha nem lesz elég energia az elektronok kilökődéséhez. Ha a frekvencia egyenlő vagy nagyobb, mint a küszöbfrekvencia, az elektronok kilökődnek. Ahogy a frekvencia a küszöbérték fölé emelkedik, a kilökődő elektronok egyszerűen gyorsabban mozognak. A bejövő fény intenzitásának növekedése, amely a küszöbfrekvencia felett van, a kilökődő elektronok számának növekedését okozza, de azok nem haladnak gyorsabban. A fotoelektromos hatást a fotoelektromos celláknak nevezett eszközökben alkalmazzák, amelyek gyakran megtalálhatók olyan hétköznapi tárgyakban (például egy számológépben), amelyek a fény energiáját elektromos áram előállítására használják.
A fotoelektromos cellák a fényenergiát elektromos energiává alakítják, amely ezt a számológépet működteti.