Photoelektrische Effektelektronen aus Materie und Licht

Der photoelektrische Effekt tritt auf, wenn Materie Elektronen abgibt, wenn sie elektromagnetischer Strahlung ausgesetzt wird, beispielsweise Lichtphotonen. Hier sehen Sie genauer, was der fotoelektrische Effekt ist und wie er funktioniert.

Überblick über den photoelektrischen Effekt

Der photoelektrische Effekt wird teilweise untersucht, weil er eine Einführung in die Wellen-Teilchen-Dualität und die Quantenmechanik geben kann.

Wenn eine Oberfläche ausreichend energetischer elektromagnetischer Energie ausgesetzt wird, wird Licht absorbiert und Elektronen werden emittiert. Die Grenzfrequenz ist für verschiedene Materialien unterschiedlich. Es ist sichtbares Licht für Alkalimetalle, nahes ultraviolettes Licht für andere Metalle und extreme ultraviolette Strahlung für Nichtmetalle. Der photoelektrische Effekt tritt bei Photonen mit Energien von wenigen Elektronenvolt bis über 1 MeV auf. Bei den hohen Photonenenergien, die mit der Elektronenruheenergie von 511 keV vergleichbar sind, kann eine Compton-Streuung auftreten. Bei Energien über 1,022 MeV kann eine Paarbildung stattfinden.

Einstein schlug vor, dass Licht aus Quanten besteht, die wir Photonen nennen. Er schlug vor, dass die Energie in jedem Lichtquant der Frequenz multipliziert mit einer Konstanten (Planck-Konstante) entspricht und dass ein Photon mit einer Frequenz über einer bestimmten Schwelle genügend Energie hat, um ein einzelnes Elektron auszustoßen und den photoelektrischen Effekt zu erzeugen. Es stellt sich heraus, dass Licht nicht quantisiert werden muss, um den photoelektrischen Effekt zu erklären, aber einige Lehrbücher behaupten weiterhin, dass der photoelektrische Effekt die Partikelcharakteristik von Licht demonstriert.

Einsteins Gleichungen für den photoelektrischen Effekt

Einsteins Interpretation des photoelektrischen Effekts führt zu Gleichungen, die für sichtbares und ultraviolettes Licht gelten:

Photonenenergie = Energie, die zur Entfernung eines Elektrons + kinetische Energie des emittierten Elektrons benötigt wird

hν = W + E

wo
h ist die Plancksche Konstante
ν ist die Frequenz des einfallenden Photons
W ist die Austrittsarbeit, die die minimale Energie ist, die erforderlich ist, um ein Elektron von der Oberfläche eines bestimmten Metalls zu entfernen: hν₀
E ist die maximale kinetische Energie der ausgestoßenen Elektronen: 1/2 mV²
ν₀ ist die Grenzfrequenz für den photoelektrischen Effekt
m ist die Ruhemasse des ausgestoßenen Elektrons
v ist die Geschwindigkeit des ausgestoßenen Elektrons

Es wird kein Elektron emittiert, wenn die Energie des einfallenden Photons geringer als die Austrittsarbeit ist.

Unter Anwendung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist die Beziehung zwischen Energie (E) und Impuls (p) eines Teilchens

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

Dabei ist m die Ruhemasse des Teilchens und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Hauptmerkmale des fotoelektrischen Effekts

• Die Geschwindigkeit, mit der Photoelektronen ausgestoßen werden, ist für eine gegebene Frequenz von einfallender Strahlung und Metall direkt proportional zur Intensität des einfallenden Lichts.
• Die Zeit zwischen dem Einfall und der Emission eines Photoelektron ist mit weniger als 10 sehr gering^-9 zweite.
• Für ein bestimmtes Metall gibt es eine minimale Frequenz einfallender Strahlung, unterhalb derer der photoelektrische Effekt nicht auftritt, so dass keine Photoelektronen emittiert werden können (Schwellenfrequenz)..
• Oberhalb der Grenzfrequenz hängt die maximale kinetische Energie des emittierten Photoelektronens von der Frequenz der einfallenden Strahlung ab, ist jedoch unabhängig von ihrer Intensität.
• Wenn das einfallende Licht linear polarisiert ist, wird die Richtungsverteilung der emittierten Elektronen in der Polarisationsrichtung (der Richtung des elektrischen Feldes) einen Spitzenwert erreichen..

Vergleich des photoelektrischen Effekts mit anderen Wechselwirkungen

Wenn Licht und Materie interagieren, sind abhängig von der Energie der einfallenden Strahlung mehrere Prozesse möglich. Der photoelektrische Effekt resultiert aus energiearmem Licht. Mid-Energy kann Thomson-Streuung und Compton-Streuung erzeugen. Hochenergetisches Licht kann eine Paarproduktion verursachen.