Foto-elektrisch effect en de deeltjesnatuur van licht
In 1905 stelde Albert Einstein (1879-1955) voor om licht te beschrijven als kwanta van energie die zich als deeltjes gedragen. Een foton is een deeltje van elektromagnetische straling dat geen massa heeft en een quantum van energie met zich meedraagt. De energie van lichtfotonen is gekwantiseerd volgens de vergelijking E = h. Vele jaren lang was licht alleen beschreven met behulp van golfconcepten, en wetenschappers die in de klassieke natuurkunde waren opgeleid, vonden deze golf-deeltje dualiteit van licht een moeilijk te aanvaarden idee. Een belangrijk concept dat door Einstein werd verklaard met gebruikmaking van de deeltjeskarakteristiek van licht werd het foto-elektrisch effect genoemd.
Het foto-elektrisch effect is een verschijnsel dat optreedt wanneer licht dat op een metalen oppervlak schijnt de uitdrijving van elektronen uit dat metaal veroorzaakt. Men stelde vast dat slechts bepaalde frequenties van licht in staat zijn het uitwerpen van elektronen te veroorzaken. Als de frequentie van het invallende licht te laag was (bijvoorbeeld rood licht), werden er geen elektronen uitgeworpen, zelfs niet als de intensiteit van het licht zeer hoog was of het licht gedurende lange tijd op het oppervlak werd geschenen. Was de frequentie van het licht hoger (bijvoorbeeld groen licht), dan konden elektronen van het metaaloppervlak worden weggeslingerd, zelfs als de intensiteit zeer laag was of het licht slechts gedurende korte tijd werd beschenen. Deze minimale frequentie die nodig is om elektronen uit te stoten wordt de drempelfrequentie genoemd.
De klassieke natuurkunde was niet in staat om het foto-elektrisch effect te verklaren. Als de klassieke natuurkunde op deze situatie werd toegepast, zou het elektron in het metaal uiteindelijk genoeg energie kunnen verzamelen om van het oppervlak te worden uitgestoten, zelfs als het invallende licht van lage frequentie was. Einstein gebruikte de deeltjestheorie van licht om het foto-elektrisch effect te verklaren, zoals in de onderstaande figuur is weergegeven.
Laagfrequent licht (rood) is niet in staat om elektronen van het metaaloppervlak te doen afstoten. Bij of boven de drempelfrequentie (groen) worden elektronen uitgeworpen. Nog hoger invallend licht (blauw) veroorzaakt het uitwerpen van hetzelfde aantal elektronen, maar met een grotere snelheid.
Bedenk de vergelijking E(E = h). E is de minimale energie die nodig is om het elektron van het metaal uit te stoten. Als de frequentie van het invallende licht onder de drempelfrequentie ligt, zal er nooit genoeg energie zijn om elektronen te doen wegslingeren. Als de frequentie gelijk aan of hoger dan de drempelfrequentie is, zullen er elektronen worden uitgeworpen. Als de frequentie hoger wordt dan de drempel, gaan de uitgeworpen elektronen gewoon sneller bewegen. Een toename van de intensiteit van het invallende licht dat boven de drempelfrequentie ligt, doet het aantal uitgeworpen elektronen toenemen, maar ze gaan niet sneller. Het foto-elektrisch effect wordt toegepast in apparaten die foto-elektrische cellen worden genoemd, die vaak worden aangetroffen in alledaagse voorwerpen (zoals een rekenmachine) die de energie van licht gebruiken om elektriciteit op te wekken.
Photo-elektrische cellen zetten lichtenergie om in elektrische energie, die deze rekenmachine van energie voorziet.