Efekt fotoelektryczny, zjawisko fotoelektryczne – zjawisko polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu (tzw. efekt zewnętrzny) lub na przeniesieniu nośników ładunku elektrycznego pomiędzy pasmami energetycznymi (tzw. efekt wewnętrzny), po naświetleniu jej promieniowaniem elektromagnetycznym (na przykład światłem widzialnym) o odpowiedniej częstotliwości, zależnej od rodzaju przedmiotu. Emitowane w ten sposób elektrony nazywa się czasem fotoelektronami. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależy od natężenia światła a jedynie od jego częstotliwości.
Odkrycie i wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju korpuskularno-falowej teorii materii, w której obiektom mikroświata przypisywane są jednocześnie własności falowe i materialne (korpuskularne). Wyjaśnienie i matematyczny opis efektu fotoelektrycznego zawdzięczamy Albertowi Einsteinowi, który wykorzystał hipotezę kwantów wysuniętą w 1905 przez Maxa Plancka.

Doświadczenie Hertza z cewką

W roku 1887 Hertz opublikował wyniki swych badań nad emisją i pochłanianiem fal elektromagnetycznych. Zbudowany przez niego odbiornik fal składał się z obręczy i cewki zapłonowej – ilekroć odbiornik rejestrował fale elektromagnetyczne, na cewce przeskakiwała iskra. Hertz umieścił swe urządzenie w ciemnym pudle, by iskra była lepiej widoczna i zaobserwował, że spowodowało to osłabienie iskry. Okazało się, że szyba izolująca źródło fal i odbiornik pochłaniała promieniowanie ultrafioletowe, które towarzyszyło przeskokowi elektronów w szczelinie cewki. Zastąpienie szkła kwarcem nie powodowało zmniejszenia iskry, gdyż kwarc nie pochłania promieniowania ultrafioletowego. Hertz nie analizował dalej zaobserwowanego przez siebie zjawiska i ograniczył się do publikacji swych wyników.

Thomson – odkrycie elektronu

W roku 1899 Thomson badał promieniowanie ultrafioletowe powstające w lampie katodowej. Zainspirowany pracami Maxwella stwierdził, że promienie katodowe są strumieniem ujemnie naładowanych cząstek, które nazwał korpuskułami, a które dziś znamy jako elektrony. Odwracając eksperyment Thomson umieścił metalową blaszkę (katodę) w rurze próżniowej i wystawił ją na promieniowanie o wysokiej częstotliwości. Zmienne pole elektromagnetyczne powodowało powstawanie w metalu prądu o natężeniu zależnym od natężenia i barwy światła jakim naświetlał rurę.

Obserwacje Von Lenarda

Trzy lata później, w roku 1902, Philipp von Lenard stwierdził zależność między energią emitowanych elektronów a intensywnością światła padającego na powierzchnię. Lenard używał mocnego światła łukowego, dzięki któremu mógł w dużym zakresie regulować jego natężenie i częstotliwość i badać zmiany natężenia prądu powstającego w – w jego eksperymencie dokonywano pomiaru natężenia prądu powstającego w naświetlanym kawałku metalu. Lenard zauważył, co było zaskakujące, że między energią fotoelektronów a częstością światła istnieje związek, brak natomiast zwiazku pomiędzy natężeniem prądu a natężeniem światła. Jego eksperymenty dostarczały zbyt mało danych ilościowych, by na ich podstawie móc wyjaśnić obserwowany fenomen.

Einstein i hipoteza kwantów

Wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego jest trudne na gruncie fizyki klasycznej (elektrodynamiki klasycznej) – należałoby tu raczej oczekiwać, że energia fotoelektronów zależy od natężenia fali świetlnej, a nie jej częstotliwości.
Zaproponowane w roku 1905 przez Alberta Einsteina wyjaśnienie zjawiska i jego opis matematyczny oparte jest na założeniu, że energia wiązki światła monochromatycznego przenoszona jest w postaci kwantów (porcji) równych \[h\nu \], gdzie h jest stałą Plancka a \[\nu \] oznacza częstość fali. Kwant energii może być przekazany elektronowi tylko w całości, na zasadzie wszystko lub nic, a pochłaniając go elektron uzyskuje energię o podanej wyżej wielkości. Einstein założył dalej, że usunięcie elektronu z powierzchni wymaga pewnej pracy zwanej pracą wyjścia, która jest wielkością stałą charakteryzującą daną substancję. Pozwala to napisać równanie:
\[E_{kin} = h\nu - W \]
na energię kinetyczną fotoelektronu. Jest ono zgodne z obserwacjami, a hipoteza kwantów wyjaśnia dlaczego energia fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do częstości światła.
Otrzymane równanie nadaje się do weryfikacji doświadczalnej i zostało potwierdzone w słynnym eksperymencie przeprowadzonym w roku 1915 przez Millikana. Równanie to pozwala też, po dokonaniu odpowiednich pomiarów, wyznaczyć wartość stałej Plancka, co również zostało uczynione przez Millikana.
Za wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego Einstein otrzymał w 1921 roku Nagrodę Nobla.
Idea kwantu energii została zapożyczona przez Einsteina z prac Plancka dotyczących wyjaśnienia zjawiska promieniowania ciała doskonale czarnego.

Zastosowania

Efekt_fotoelektryczny -
Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany w bateriach słonecznych, fotopowielaczach, elementach CCD w aparatach cyfrowych, fotodiodach itd. Pochłaniane przez te urządzenia światło wykorzystywane jest do wytwarzania prądu elektrycznego, generowania ładunku którego ilość można zmierzyć.
Publikacja wraz ze zdjęciami jest udostępniona w Encyklopedii "Zgapedia" części portalu zgapa.pl. Treść objęta jest licencją GNU FDL Wolnej Dokumentacji w wersji 1.3 lub dowolnej pózniejszej opublikowanej przez Free Software Foundation i została ona opracowana na podstawie Wikipedii, tutaj możesz znaleźć artykuł źródłowy oraz autorów. Warunki użytkowania Encyklopedii znajdziesz na tej stronie.