Välis- ja sisefotoefekt

Välisfotoefekt

1887. aastal avastas Heinrich Hertz, et kui valgustada negatiivselt laetud tsinkplaati, hakkab plaadi laeng vähenema – plaat emiteerib (väljastab) valguskiirguse tõttu elektrilaengut. Seda nähtust hakati kutsuma väliseks fotoefektiks. Metallist lahkunud osakeste massi ja laengu mõõtmised näitasid, et tegemist on elektronidega.

Positiivselt laetud metallplaadi puhul välist fotoefekti ei registreeritud põhjusel, et ehkki valgus lööb elektrone välja ka positiivselt laetud kehast, tõmmatakse need tänu elektromagnetilistele tõmbejõududele kehasse tagasi ning keha laeng selle pärast ei muutu.

Fotoefekti kvantitatiivseid seaduspärasusi uuris Vene füüsik Aleksandr Stoletov, kes kirjeldas plaadist valgustamise tagajärjel „välja löödud“ elektronide poolt tekitavat elektrivoolu ja märkas, et:

• metallist välja löödud elektronide hulk on võrdelises seoses plaadile langeva valguse intensiivsusega.
• metallist välja löödud elektronide maksimaalne kineetiline energia suureneb valguse lainepikkuse vähenedes ja ei sõltu valgusvoo suurusest
• kui valguse sagedus on väiksem mingist antud aine jaoks kindlast piirsagedusest, siis fotoefekti ei esine

Paraku ei osanud Stoletov selgitada miks fotoefekt tekib – tegelikult ei olnud see tollal valitsenud arusaamaga valgusest kui elektromagnetlainest põhimõtteliselt võimalik.

1900. aastal püstitas Max Planck absoluutselt musta keha kiirgust uurides hüpoteesi, et kuumad kehad ei kiirga valgust mitte pidevalt, vaid üksikute portsjonite – kvantide – kaupa. Selline lähenemine võimaldas tal statistiliselt väga täpselt kirjeldada nii erineva temperatuuriga kehade poolt kiiratava valguse värvust (sõltuvust lainepikkusest) kui ka intensiivsust (kiiratava valguse energiat).

Planck näitas teoreetiliselt, et ühe sellise energiaportsu – kvandi energia sõltub ainult kiiratava valguse sagedusest:

kus E – kvandi energia; f – kiiratava valguse sagedus ning h=6,6261∙10^-34 Js – Plancki konstant, mis seob omavahel kvandi sageduse ja energia.

Kvandi energiat saab kirjeldada ka valguslaine lainepikkuse kaudu:

kus c=3∙10⁸ m/s – valguse kiirus vaakumis ja λ – valguse lainepikkus.

Valguse kvante hakati kutsuma footoniteks. Paraku ei suutnud Planck esitada ühtegi tõendit kvantide reaalse olemasolu kohta.

Fotoefekti tekkimisele andis 1905. aastal lihtsa selgituse Albert Einstein, kes kasutas fotoefekti tekkepõhjuse selgitamiseks Plancki kvanthüpoteesi. Selle kohaselt tuleb elektroni ainest välja löömiseks kulutada energiat so tuleb teha tööd – niinimetatud väljumistööd.

Kui metallile langeva kvandi energia on sellest väljumistööst väiksem, siis valguse toimel elektrone välja ei lööda ning fotoefekti ei teki. Kui kvandi energia on väljumistööga võrdne, lüüakse elektron metallist välja, kuid tema „ära toimetamiseks“ on tarvis elektrivälja jõudude poolt tehtavat tööd. Kui kvandi energia on aga väljumistööst suurem, lüüakse elektron metallist välja ning väljumistööd ületav energiakogus väljendub elektroni kineetilise energiana.

Oma fotoefekti tekkimise selgituse pani Einstein kirja lihtsa võrrandina:

kus Ef – footoni energia; Av – elektroni väljumistöö; Ek – (välja löödud) elektroni kineetiline energia.

Võttes arvesse et:

kus f – metallile langeva valguse sagedus, h=6,62∙10^-34 Js – Plancki konstant; m=9.11∙10^-31kg – elektroni mass; v – elektroni kiirus, saab fotoefekti võrrandile anda kuju:

Kaaliumi väljumistöö on 2eV. Kui kaaliumile langeb punane valgus (lainepikkus 700 nm, energia 1,77eV), siis fotoefekti ei teki.

Rohelise valguse (550nm, 2,25eV) korral, on välja löödavate elektronide kiirus 296 km/s, violetse valguse (400 nm, 3,1eV) korral aga juba 622 km/s.

Minimaalset sagedust (või sellele vastavat maksimaalset lainepikkust), mis konkreetse aine puhul veel fotoefekti esile kutsub, nimetatakse selle aine jaoks fotoefekti punapiiriks. Punapiirile vastava kvandi energia on võrdne väljumistööga.

Sisefotoefekt

Lisaks välisele fotoefektile, kus valgus lööb ainest elektrone välja, on avastatud ka sisemine fotoefekt – valgus lööb küll aatomist elektroni välja, kuid ei väljasta elektrone ainest vaid annab neile võimaluse liikuda ainetükis teise kohta.

Sisemisel fotoefektil töötavad np-siiret omavad seadeldised – päikesepaneelid ja fotoaparaatide sensorid nn CCD (charge-coupled device) seadmed.