Het foto-elektrisch effect

Een pas gepolijste, negatief geladen zinken plaat, verliest zijn lading als hij blootgesteld wordt aan ultraviolet licht. Dit fenomeen wordt foto-elektrisch effect genoemd.
Nauwkeurige onderzoekingen tegen het eind van de negentiende eeuw, wezen uit dat het foto-elektrisch effect ook bij andere materialen optrad maar alleen dan als de golflengte kort genoeg was. Het foto-elektrisch effect wordt waargenomen beneden een drempelwaarde die kenmerkend is voor het betreffende materiaal. Vooral het feit dat langere golflengten geen enkel effect hadden ook al was de lichtbundel zeer intensief, stelde de wetenschappers voor een raadsel.
Albert Einstein kwam uiteindelijk met de verklaring in 1905: Licht bestaat uit deeltjes ( fotonen ), en de energie van zo'n deeltje is rechtevenredig met de frequentie van het licht. Er is een zekere minimum energie nodig (afhankelijk van de materiaalsoort) om een elektron uit de oppervlakte van de zinkplaat of een ander vast lichaam los te maken (uittree-arbeid). Als de energie van een foton groter is dan deze drempelwaarde, kan het elektron worden uitgezonden. De volgende formule is een resultaat van deze uitleg:

E kin   =   h f   –   W

Ekin ... maximale  kinetische energie van een uitgezonden elektron
h ..... constante van Planck (6.626·10-34 Js)
f ..... frequentie
W ..... uittree-arbeid

• Aanwijzingen voor de animatie
  1. Deze Java applet laat een experiment zien voor de bepaling van de constante van Planck en de uittree-arbeid: Een enkele spectraal lijn wordt uit het licht van een kwikdamplamp gefilterd. Dit licht valt op de kathode (C) van een foto-elektrische cel en veroorzaakt daar de emissie van elektronen (of niet). Om de maximale kinetische energie van de uitgezonden elektronen te bepalen, is het nodig een tegenspanning (ook wel stopspanning genoemd) aan te sluiten door middel van een potentiometer. Deze spanning wordt zo ingesteld dat er net geen elektronen meer bij de anode (A) arriveren. De blauw gekleurde meter geeft de grootte van deze spanning aan. De rood gekleurde meter geeft aan of er nog elektronen op de anode aankomen.
  2. Het rechter paneel geeft je de mogelijkheid het kathodemateriaal, de golflengte en de stopspanning in te stellen. De aangegeven waarden duiden op de frequentie van het licht en de energie balans bij het foto-elektrisch effect. De resultaten van de metingen worden in een frequentie-spanning grafiek getekend, linksonder en kunnen met de knop rechtsonder weer worden gewist.
  3. De plaatsing van de drie meetseries in de grafiek resulteert in drie parallelle lijnen. Uit de helling van deze lijnen kan de constante van Planck (h) worden bepaald. Tevens kan de grootte van de uittree-arbeid van het betreffende kathodemateriaal (in eV, d.w.z elektron volt) direct worden afgelezen bij het snijpunt met de verticale as.