Fysiikka 8: luku 1.2 Valosähköinen ilmiö

 

Sähkömagneettisen säteilyn eli valon aiheuttamaa elektronien irtoamista metallin pinnasta kutsutaan valosähköiseksi ilmiöksi. Metallipinnasta irronneiden elektronien liike-energia ei riipu valon voimakkuudesta vaan sen taajuudesta.

Kohdatessaan elektronin fotoni luovuttaa sille energiansa ja häviää. Osa energiasta kuluu elektronin irtoamiseen metallista, ja loppu ilmenee irronneen elektronin liike-energiana. Pienintä mahdollista elektronin irrottamiseen tarvittavaa energiaa kutsutaan irrotustyöksi W₀. Irrotustyön arvo on ominainen kullekin metallille.

Valosähköisessä ilmiössä fotoni luovuttaa energiansa metallin pinnassa olevalle elektronille. Jos fotonin energia on suurempi kuin irrotustyö, energioiden erotus ilmenee elektornin liike-energiana E_k. Elektronien irrottamiseen tarvitaan eri suuret irrotustyöt, koska elektronien sidosenergiat ovat eri suuria. Niillä elektroneilla, joiden irrottamiseen tarvitaan energiaa irrotustyön W₀ verran, suurin liike-energia on E_k = E_k^max .

Valosähköisessä ilmiössä elektronin suurin mahdollinen energia on

E_k^max = hf  - W₀

jossa E_k^max on nopeimman irronneen elektronin liike-energia, f valon taajuus ja W₀ irrotustyö.

Rajataajuudeksi eli kynnystaajuudeksi f₀ kutsutaan pienintä säteilyn taajuutta, jolla elektroni saadaan irtoamaan metallin pinnasta. Kun säteilyn taajuus on rajataajuus, koko fotonin energia hf₀ kuluu elektronin irrottamiseen eikä irronneella elekronilla ole yhtään liike-energiaa. Rajataajuus on

f₀ = W₀ / h

Rajataajuuden alittava säteily ei saa aikaan valosähköistä ilmiötä, vaikka valon intensiteettiä lisätään tai säteilyn kestoa pidennetään. Valosähköinen ilmiö tapahtuu, kun säteilyn taajuus ylittää rajataajuuden.

Valosähköisen ilmiön seurauksena irronneiden elektronien liike-energia saadaan pysäyttämällä ne sähkökentän avulla. Tällöin sähköinen voima tekee elektronin pysäyttäessään työn W = qU ja muuntaa elektronin liike-energian sähöiseksi potentiaalienergiaksi. U on kentässä vallitseva vastajännite ja q elektronin varauksen itseisarvo. Nopeimpien elektronien pysäyttämiseen tarvittava vastajännite on

qU = E_k^max

Valosähköiseen ilmiöön perustuvia laitteita ovat esim valokennot, aurinkokennot ja valaistusmittarit. Ruokakaupan kulkuportin valokennossa virta katkeaa, kun asiakas sisään tullessaan hetkeksi estää valonsäteen kulun portin poikki kennoon. Tämä käynnistää portin avautumismekanismin. Kassapöydässä on vastaavanlainen valoportti, joka pysäyttää hihnan liikkeen ostoksen tullessa valoportin kohdalle.

Comptonin ilmiö

Comptonin imiössä säteilyn fotoni törmää vapaaseen elektronii, ja fotonin liikkeen suunta muuttuu. Se luovuttaa törmäyksessä osan energiastaan elektronin liike-energiaksi. Koska fotonin energia pienenee törmäyksessä, sironnan jälkeen sen aallonpituus on suurempi kuin tulevan fotonin aallonpituus.