Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο: Διαφορά μεταξύ των αναθεωρήσεων

Τα [[μέταλλο|μέταλλα]] αποτελούνται από θετικά [[ιόντα]], τοποθετημένα συμμετρικά σε [[κρυσταλλικό πλέγμα]]. Στο εσωτερικό του μετάλλου υπαρχουν εγκλωβισμένα [[Ελεύθερο ηλεκτρόνιο|''ελεύθερα'' ηλεκτρόνια]] δηλαδή ηλεκτρόνια που δεν ανήκουν στα ιόντα του μετάλλου. Πάνω σε αυτά ασκούνται [[Δύναμη|δυνάμεις]] από τα θετικά ιόντα του κρυσταλλικού πλέγματος. Οι δυνάμεις αυτές έχουν τυχαίες διευθύνσεις και για αυτό μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η συνολική δύναμη πάνω σε κάθε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο είναι μηδέν. Σαν αποτέλεσμα τα ηλεκτρόνια μπορουν να κινούνται ελεύθερα μέσα στο μέταλλο.

Όταν ένα από αυτά τα ηλεκτρόνια λόγω της [[Ταχύτητα|ταχύτητάς]] του καταφέρει να απομακρυνθεί από το μέταλλο, πάνω του ασκούνται ελκτικές δυνάμεις από τα ιόντα του πλέγματος αλλά αυτή τη φορά η συνολική δύναμη είναι τέτοια που τείνει να επαναφέρει το ηλεκτρόνιο στην επιφάνεια του μετάλλου.

Η ''ελάχιστη ενέργεια'' που πρέπει να προσφερθεί σε ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο ώστε να μπορέσει να εγκαταλείψει οριστικά την επιφάνεια του μετάλλου ονομάζεται '''[[έργο εξαγωγής]]''' ή '''έργο εξόδου''' (σύμβολο <math>\ b \ </math>) του μετάλλου και είναι ένα μέγεθος χαρακτηριστικό για κάθε μέταλομέταλλο. Η [[ενέργεια]] μπορεί να προσφερθεί με θέρμανση του μετάλλου ή με φωτισμό της επιφάνειάς του με κατάλληλη [[ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία]]. Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια ονομάζονται και '''φωτοηλεκτρόνια'''.

*Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει μόνο όταν η προσπίπτουσα στη μεταλλική επιφάνεια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει [[συχνότητα]] μεγαλύτερη ή ίση από μια ορισμένη τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται οριακή συχνότητα ή διαφορετικά ''συχνότητα κατωφλίου'' (σύμβολο <math>\ v_0f_0 \ </math>). *
*Αν η συχνότητα της ακτινιβολίας είναι τέτοια που μπορεί να προκαλέσει εξαγωγή ηλεκτρονιών τότε ο αριθμός των ηλεκτρνίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος της [[Ένταση φωτεινής ακτινοβολίας|''έντασης'']] (σύμβολο <math>\ J \ </math>) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.

*Η εκπομπή φωτοηλεκρονίωνφωτοηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό της επιφάνειάς του (για την ακρίβεια ο [[χρόνος]] από το φωτισμό του μετάλλου μέχρι την εκπομπή φωτοηλεκρονίων είναι μικρότερος του 10^-9s).

*Η μέγιστη κινητική ενέργεια με την οποία τα φωτοηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το μέταλλο είναι [[γραμμική συνάρτηση]] της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, εξαρτάται από το έργο εξαγωγής του μετάλλου αλλά είναι ανεξάρτητη της έντασης της ακτινοβολίας.

Η κλασσική φυσική υπόστηρίζει ότι ένα σώμα απορροφά ή εκπέμπει ενέργειενέργεια κατά τρόπο συνεχή και έτσι αδυνατεί να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Συγκεκριμένα:

*Η κλασσική φυσική προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκρονίωνηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται μετά από την παρέλευση ορισμένου χρονικού διαστήματος από τη στιγμή φωτισμού του μέχρι να αποκτήσουν αρκετή κινητική ενέργεια. Στην πραγματικότητα όμως τα ηλεκρόνιαηλεκτρόνια εκπεμπονταιεκπέμπονται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό του μετάλλου ακόμα και όταν η ένταση της ακτινοβολίας είναι μικρή.

Η ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε το [[1905]] από τον [[Άλμπερτ Αϊνστάιν]] που πήρε το [[βραβεία Νόμπελ|βραβείο Νόμπελ]] για αυτή του την εργασία. Για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ο ΆινσταινΑϊνστάιν υπέθεσε ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν είναι ισοκατανεμημένη στο κυματικό μέτωπο αλλά μεταφέρεται σε διακριτές ποσότητες που ονομάζονται [[Φωτόνιο|φωτόνια]]. Η διαπίστωση αυτή αποτέλεσε, μαζί με την ερμηνεία της ακτινοβολίας του [[μέλαν σώμα|μέλανος σώματος]] από τον Πλανκ και την παρατήρηση του [[Φαινόμενο Κόμπτον|φαινομένου Κόμπτον]] (''Compton'') το θεμέλιο της θεωρίας για τον [[κυματοσωματιδιακός δυϊσμός|κυματοσωματιδιακό δυϊσμό]] του φωτός αλλά και της πρώϊμης [[Κβαντική μηχανική|Κβαντικής Μηχανικής]]. Έτσι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας <math>\ vf \ </math> αποτελείται από μια δέσμη φωτονίων που όλα έχουν ενέργεια:

:::::::::::<math> \ E_{\phi} = hvhf\ </math>

:::::::::::<math> \ E = nhvnhf\ </math>

Ο ΆινσταινΑϊνστάιν θεώρησε ότι κάθε φωτόνιο όταν δίνει την ενέργειά του τη δίνει ολόκληρη και μόνο σε ένα ηλεκτρόνιο κάθε φορά και επιπλεόν μόνο εάν είναι αρκετή για να απελευθερώσει το ηλεκτρόνιο από τις ελκτικές δυνάμεις του μετάλλου. Έτσι από την ενέργεια του φωτονίου μέρος χρησιμοποιείται για να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις του μετάλλου και η υπόλοιπη μένει στο ηλεκτρόνιο ως κινητική ενέργεια. Έτσι έχουμε την ακόλουθη εξίσωση η οποία ονομάζεται και φωτοηλεκτρική εξίσωση του Άινσταιν:

:::::::::::<math> \ hvhf = E_{K_{max}} + b\ </math>