Fotoelektriline efekt on nähtus füüsikas. See efekt põhineb ideel, et elektromagnetiline kiirgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks. Kui fotoon tabab elektroni metallpinnal, võib elektron emiteeruda. Emissioonitud elektrone nimetatakse fotoelektronideks. Seda efekti nimetatakse ka Hertzi efektiks, sest selle avastas Heinrich Rudolf Hertz, kuid seda nimetust ei kasutata sageli. Fotoelektriline efekt on aidanud füüsikutel mõista valguse ja elektronide kvantloomust. Fotoelektrilise efekti tõttu töötati välja laine-osakese duaalsuse mõiste. Albert Einstein pakkus välja fotoelektrilise efekti seadused ja sai 1921. aastal Nobeli füüsikapreemia.

Määratlus ja põhiolemus

Fotoelektriline efekt tähendab seda, et valguse footonid võivad materjali pinnalt välja paisata elektrone. Et efekt tekiks, peab footoni energia olema võrdne või suurem materjali tööfunktsioonist (φ) — energiast, mis on vajalik elektroni vapustamiseks metallist välja.

Põhimõte ja matemaatiline seos

Einsteini selgitus 1905. aastal andis lihtsa ja täpse võrrandi, mis seob välja paisatud fotoelektroni maksimaalse kineetilise energia footoni sageduse kanssa:

Einsteini võrrand: KE_max = h f − φ

  • KE_max — fotoelektroni maksimaalne kineetiline energia
  • h — Plancki konstant (h ≈ 6,626×10^−34 J·s)
  • f — valguse (footoni) sagedus
  • φ — materjali tööfunktsioon (energia, mida tuleb anda elektronile, et ta vabaneks)

Praktiliselt mõõdetakse tihti peatamisvõimsust V_s: e V_s = KE_max, kus e on elementaarlaeng. Sellest järeldub peatamisvõimsuse ja sageduse lineaarne seos.

Tähtsamad eksperimentaalsed tähelepanekud

  • Sageduse künnis: iga materjali puhul on olemas läve­sagedus f_0, allpool ei välju elektone ükski footonieni kehvuse korral (hf < φ).
  • Iseloom: fotoelektronide maksimaalne kineetiline energia sõltub valguse sagedusest, mitte intensiivsusest.
  • Intensiivsus mõjutab väljuvate elektronide arvu (sagedust konstantse hoides), aga mitte nende üksikute elektronide maksimaalset kiirust.
  • Emissioon on peaaegu viivitamatu: elektroni väljumine toimub praktiliselt kohe footoni tabamise järel.

Olulised eksperimendid ja ajalugu

  • Heinrich Hertz (1887) märkas väliseid efekte ultra­­violettvalguse ja metallide juures, kuid ei seletanud nähtust kvantmehaaniliselt.
  • Philipp Lenard tegi varajasi mõõtmisi, mis näitasid mõningaid efekti omadusi (nt sõltuvus materjalist ja nähtus oli kohev).
  • Albert Einstein pakkus 1905. aastal teoreetilise selgituse, et valgus koosneb kvantidest (footonitest) ning kirjeldas efektile vastava võrrandi; selle eest anti talle 1921. a Nobeli preemia.
  • Robert A. Millikan viis 1910.–1916. a läbi täpsed eksperimentaalsed kontrollid ja kinnitas Einsteini prognoose, mõõtes Plancki konstandi ja tööfunktsioone; Millikan sai 1923. a Nobeli preemia osaliselt nende tööde eest.

Rakendused

  • Fotodetektorid ja valgusandurid (fotodioodid, fototransistorid)
  • Päikesepaneelid ja fotoelektrilised elemendid (muundavad valguse elektrienergiaks)
  • Fotokatoodid ja fotomultipliidid (nõrgavalguse mõõtmine)
  • Fotoelektron­espek­troskoopia — pinna- ja elektronistruktuuri uuringud materjaliteaduses

Oluline tähendus teadusele

Fotoelektriline efekt kujutas endast olulist tõendit valguse kvantiseerituse kohta ja aitas kinnistada kvantteooria alustõdesid. See näitas, et valgusel on nii laineline kui ka osakeste loomus (laine-osakese duaalsus), ning muutis meie arusaama valguse ja aine vastastikmõjust.

Fotoelektriline efekt on seega nii fundamentaalne füüsikaline nähtus kui ka praktiline tööriist kaasaegses tehnoloogias ja teadusuuringutes.