Fotoelektrický jev

Ne každé elektromagnetické vlnění vyvolá fotoelektrický jev, pouze záření o určité nebo vyšší frekvenci vyvolá tento jev. Minimální potřebná frekvence se nazývá "mezní frekvence" nebo "prahová frekvence". Mezní frekvence se používá k nalezení pracovní funkce w {\displaystyle w}. , což je množství energie, které drží elektron na povrchu kovu. Pracovní funkce je vlastností kovu a není ovlivněna přicházejícím zářením. Pokud na povrch kovu dopadá světlo o frekvenci vyšší, než je mezní frekvence, bude mít emitovaný elektron určitou kinetickou energii.

Energii fotonu způsobujícího fotoelektrický jev zjistíme pomocí vztahu E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w}. kde h {\displaystyle h} je Planckova konstanta, 6,626×10 ⁻³⁴J-s, f {\displaystyle f} je frekvence elektromagnetické vlny, K E {\displaystyle KE} je kinetická energie fotoelektronu a w {\displaystyle w} je pracovní funkce pro kov. Pokud má foton velkou energii, může dojít ke Comptonovu rozptylu (~ tisíce eV) nebo párové produkci (~ miliony eV).

Samotná intenzita světla nezpůsobuje vyvržení elektronů. To může způsobit pouze světlo o vypínací frekvenci nebo vyšší. Zvýšení intenzity světla však zvýší počet emitovaných elektronů, pokud je frekvence vyšší než mezní frekvence.

První pozorování fotoelektrického jevu provedl Heinrich Hertz v roce 1887. Zjistil, že mezi dvěma nabitými koulemi přeskočí jiskra snadněji, pokud na ně svítí světlo. Byly provedeny další studie, aby se zjistilo, jaký efekt Hertz pozoroval. V roce 1902 Philipp Lenard ukázal, že kinetická energie fotoelektronu nezávisí na intenzitě světla. Teprve v roce 1905 však Einstein navrhl teorii, která tento jev plně vysvětlovala. Podle této teorie je elektromagnetické záření sérií částic, které se nazývají fotony. Fotony se srážejí s elektrony na povrchu a vyzařují je. Tato teorie byla v rozporu s přesvědčením, že elektromagnetické záření je vlnění. Proto zpočátku nebyla uznána za správnou. V roce 1916 Robert Millikan zveřejnil výsledky pokusů s vakuovou fototrubicí. Jeho práce ukázala, že Einsteinova fotoelektrická rovnice vysvětluje chování velmi přesně. Millikan a další vědci však Einsteinovu teorii světelných kvant přijímali pomaleji. Maxwellova vlnová teorie elektromagnetického záření nedokáže vysvětlit fotoelektrický jev a záření černého tělesa. Ty vysvětluje kvantová mechanika.