Foto-elektrisch effect

Een zeer belangrijk voorbeeld van de toepassing van het begrip foton vinden wij bij het foto-elektrische effect.
In 1887 ontdekte Heinrich Hertz, dat als op de elektroden waartussen een elektrische ontlading optreedt ultraviolet valt de intensiteit van de ontlading toeneemt. Dit was een aanwijzing voor de uitzending van geladen deeltjes.
Een jaar later nam Wilhelm Hallwachs (1859-1922) waar, dat elektronen worden uitgezonden als bepaalde metalen, bijvoorbeeld Zn, Rb, K, Na, enz. met licht bestraald werden.
Deze elektronen worden foto-elektronen genoemd naar de wijze waarop ze ontstaan.
Het aantal foto-elektronen dat per seconde wordt uitgezonden neemt toe niet de intensiteit van de bestraling, maar men neemt ook een karakteristieke afhankelijkheid van de frequentie waar.
Voor iedere stof bestaat een bepaalde minimumfrequentie van de elektromagnetische straling, waaronder geen foto-elektronen worden vrijgemaakt, onverschillig hoe intensief de bestraling is. Het foto-elektrische effect is een proces waarbij geleidingselektronen in een metaal energie absorberen uit het elektromagnetische veld en daarbij uit het metaal ontsnappen. Stel dat de energie is die nodig is om een bepaald elektron uit het metaal vrij te maken. Als een elektron een energie zal het verschil als kinetische energie van het elektron vrijkomen, zodat wij voor een niet-relativistisch elektron (dat wil zeggen met snelheid klein is t.o.v de lichtsnelheid) kunnen schrijven:

Als W de energie is die door een elektron uit de elektromagnetische golf werd geabsorbeerd en de frequentie van de straling, dan is .
Wij kunnen dus in plaats van volgens vergelijking 1 schrijven:

Deze vergelijking werd door Albert Einstein in 1905 voorgesteld voordat het comptoneffect was ontdekt. Niet alle elektronen vereisen dezelfde energie om uit het metaal te treden. Wij noemen de minimumwaarde van de uittreedarbeid van het metaal. De maximale kinetische energie van de elektronen is dus
en deze kan gemeten worden.
Uit deze formule volgt dat de kinetische energie van de elektronen nul is voor de frequentie
Dus is de minimumfrequentie voor foto-elektrische emissie de grensfrequente. Voor frequenties kleiner dan treedt geen emissie op.
Het foto-elektrische effect heeft talloze toepassingen hij automatische controlemechanismen, bijvoorbeeld in zogenaamde fotocellen.

Aanwijzingen voor de animatie

Kies eerst ¨Initialiseer de parameters¨. Daar zijn drie parameters te veranderen:

Het stoppotentiaal: het spanningsverschil tussen de anode en kathode, variërend van 0 tot 100 volt.

De energie van het foton, variërend van 0 tot 100 elektronvolt.

Het emissiemateriaal nl: Na, Al, Cu, Zn, Ag, Pt, Pb of Fe.

Klik daarna op ¨Start het experiment¨ en zie of er een elektron wordt vrijgemaakt en of deze de anode kan bereiken.