Fotoni in fotoefekt

Elektromagnetno valovanje je transverzalno valovanje električnega in magnetnega polja. Med elektromagnetna valovanja prištevamo med drugim tudi:

V določenih primerih pa se elektromagnetno valovanje kaže, kot da je sestavljeno iz delcev oziroma "energijskih paketov". Tem paketom pravimo fotoni. S poskusi so ugotovili, da je njihova energija premo sorazmerna s frekvenco elektromagnetnega valovanja:

Včasih elektromagnetnega valovanja ne moremo opisati kot valovanja, temveč ga moramo obravnavati, kot da je sestavljeno iz delcev - fotonov. Fotonov v vsakdanjem življenju ne opazimo, opazimo jih lahko šele takrat, ko opazujemo zelo šibko svetlobo z zelo občutljivim svetlobnim detektorjem.

Kot rečeno že v uvodu, je energija fotonov linearno odvisna od frekvence valovanja:

kjer je sorazmernostni faktor h Planckova konstanta z vrednostjo :

Frekvenca in valovna dolžina sta pri elektromagnetnem valovanju neposredno povezani:

kjer je c hitrost svetlobe. V praznem prostoru hitrost svetlobe znaša:

Enačbo za energijo fotonov tako lahko preoblikujemo v:

Kot vidimo v gornjem primeru, so energije posamičnih fotonov izjemno majhne. To nam daje slutiti, da mora biti število fotonov, ki prihajajo na primer s sonca, izjemno veliko, saj njihovo energijo dobro čutimo kot toploto.

Za računanje z zelo majhnimi energijami, s kakršnimi imamo opravka na atomski skali, se za enoto energije namesto Joulov (zaradi lažjega računanja) uporabljajo elektronvolti. En elektronvolt je energija, ki jo pridobi elektron z osnovnim nabojem , ko prečka napetostno razliko enega volta. 1 elektronvolt je enak:

Fotoefekt ali fotoelektrični pojav je pojav, pri katerem elektromagnetno valovanje pada na snov in iz nje izbija elektrone. Ta je eden izmed primerov, ki ga precej lažje razložimo z obstojem fotonov, kot pa z elektromagnetnim valovanjem. Poglejmo si shemo pojava:

Če svetlobni fotoni zadanejo kovino (kovina je navadno povezana z oblakom prostih elektronov, t.i. kovinsko vezjo), lahko pod določenimi pogoji iz nje izbijejo elektrone. Pri tem izbiti elektron prejme vso energijo določenega fotona, foton sam pa izgine.

Elektron za izstop iz kovine porabi energijo , ki jo imenujemo izstopna energija oziroma izstopno delo. Izstopna energija je potrebna, da elektron premaga električni privlak mreže atomov, preostanek prejete energije pa se pretvori v kinetično energijo sedaj prostega elektrona. Kinetična energija izbitega elektrona je tako enaka:

Izstopno delo je odvisno od vrste kovine, saj so elektroni v različnih kovinah vezani različno močno. Posledično, če je energija fotona manjša od izstopnega dela, potem tak foton ne more izbiti elektrona.

Tok, ki teče v električnem krogu, kljub temu da v njem ni vira napetosti, imenujemo mrtvi tok.

Sliki 3 prikazuje shemo mrtvega toka. Tokokrog se sestoji iz katode in anode, ki se nahajata v vakumsko izpraznjeni stekleni posodi. Katoda in anoda sta povezani tokokrog, ki pa je prekinjen znotraj vakumske posode. Na katodo pada svetloba, ki zaradi fotoefekta iz nje izbija elektrone. Nekaj elektronov poleti v smeri anode, ter jo doseže. Zaradi tega premikanja elektronov se katoda nabije pozitivno, anoda pa negativno in med njima steče električni tok.