Experiment 1

Nech zdroj svetla, ktorým ožarujeme elektródu T, je monochromatický (svetlo s jedinou danou frekvenciou f) a možno meniť jeho intenzitu v určitom intervale hodnôt. Nastavme v zariadení podľa obr. 13.1.3.1 napätie U tak, že elektróda K je záporná vzhľadom na elektródu T. V dôsledku brzdného potenciálu, resp. pôsobením záporného napätia, sú fotoelektróny spomaľované. So zvyšovaním napätia stále menej elektrónov dopadá na elektródu K a prúd klesá. Nakoniec, keď U dosiahne, alebo prevýši určitú hodnotu U_b, (rádove niekoľko voltov), na kolektor K nedopadne žiaden fotoelektrón a prúd mizne. Hodnotu napätia U_b , pri ktorej fotoprúd práve klesne na nulu , nazývame brzdné napätie U_b.

Maximálna hodnota kinetickej energie fotoelektrónov odpovedá hodnote

, (13.1.3.1)

kde e je elementárny náboj elektrónu.

Uskutočnené experimenty odhalili nasledujúce skutočnosti:

· pri dopade monochromatického svetla majú všetky fotoelektróny rovnakú energiu;

· fotoelektróny sú emitované z daného materiálu, len keď frekvencia svetla je nad určitou prahovou hodnotou f₀, nezávisle od toho aká je intenzita svetla;

· pri zvyšovaní intenzity dopadajúceho svetla sa nemení energia fotoelektrónov, ale rastie ich počet;

· pri zvyšovaní intenzity dopadajúceho svetla zaznamenávame vzrast prúdu so vzrastom intenzity dopadajúceho svetla (obr. 13. 1.3.2);

· maximálna hodnota kinetickej energie fotoelektrónov má vždy konštantnú hodnotu pre zdroj frekvencie f, napriek tomu, že budeme meniť intenzitu tohto zdroja od veľmi intenzívneho až po veľmi slabý;

· maximálna energia fotoelektrónov závisí iba od frekvencie (resp. vlnovej dĺžky) dopadajúceho žiarenia;

· fotoelektróny sú emitované takmer okamžite, t.j. v intervale presnosti 3.10^-9 s neexistuje žiadne časové zdržanie medzi dopadom svetla na povrch kovu a emisiou fotoelektrónov, ktoré však pri energii fotoelektrónov rádove 1 eV by mali podľa klasických výpočtov zhromažďovať takmer 1 rok;

· čím je vlnová dĺžka dopadajúceho svetla kratšia (resp. čím je frekvencia dopadajúceho svetla väčšia), tým majú fotoelektróny väčšiu kinetickú energiu (obr.13. 1.3.3)

 

Existencia fotoelektrického javu z pohľadu klasickej fyziky nie je prekvapením, pretože svetelné vlny sú nositeľom energie. Svetelné vlny pri dopade na elektródu jej môžu odovzdať časť svojej energie, ktorá môže byť sústredená na fotoelektróny a znovu sa prejaviť vo forme kinetickej energie fotoelektrónov.

Taktiež vzrast prúdu so vzrastom intenzity dopadajúceho svetla je vysvetliteľný na báze klasickej fyziky. Ak považujeme dopadajúce svetlo za klasickú elektromagnetickú vlnu, budú fotoelektóny kmitať pod vplyvom striedavého elektrického poľa dopadajúcej svetelnej vlny. Fotoelektrón za určitých podmienok môže získať dostatok energie, aby sa uvoľnil z povrchu elektródy. Zvýšením intenzity svetelného zdroja, zvýšime amplitúdu striedavého elektrického poľa, čím môže byť emitovaný väčší počet fotoelektrónov. Dalo by sa očakávať, že pri dostatočne silnom zdroji každej vlnovej dĺžky by sa mal pozorovať fotoefekt, resp. pri aplikovaní silnejšieho striedavého elektrického poľa by i energia elektrónov s rastom intenzity zdroja mala vzrásť. Toto však experimenty nepotvrdili. Tieto skutočnosti nebolo možné vysvetliť z pohľadu klasickej fyziky.

Experiment 2

Zdrojom svetla ktorý nie je monochromatický (možno meniť jeho frekvenciu f ), ožarujeme elektródu T . Skúmajme fotelektrický prúd ako funkciu brzdného napätia a zmenu brzdného napätia U_b ako funkciu frekvencie pre terče z rôznych materiálov. Pozorované závislosti sú znázornené na obr. 13.1.3.4. a obr. 13.1.3.5.

Z experimentov vyplýva, že:

· pre daný materiál existuje prahová hranica frekvencia zdroja f₀, pod ktorú fotoelektrický jav nepozorujeme; (Poznámka: Klasická fyzika predpokladá, že pri dostatočne intenzívnom zdroji, nezávisle od jeho veľmi nízkej frekvencei by fotoefekt mal nastať. Nepozoroval sa napriek použitiu i veľmi intenzívnych zdrojov.)

· priamky zobrazujúce závislosť brzdného napätia ako funkciu frekvencie (obr. 13.1.3.6) majú rovnakú smernicu (sú rovnobežné);

· pre rôzne materiály sa pozorovali rôzne hodnoty prahovej frekvencie (obr. 13.1.3.6);

Možno si položiť otázku: „ Je elektromagnetická teória správna, keď zlyhala pri objasňovaní fotoelektrického javu? Vieme však, že elektromagnetická teória vysvetľuje správne rad rôznych javov z elektriny a magnetizmu.

Vysvetlenie fotoelektrického javu v roku 1905 podal A. Einstein na základe Planckovej kvantovej hypotézy spred piatich rokov: Žiarenie absolútne čierneho telesa je emitované po malých množstvách- kvantách hf .

Einstein navrhol predpoklad, podľa ktorého sa svetlo nielen vyžaruje, ale i šíri po jednotlivých kvantách a tiež sa pohlcuje po jednotlivých kvantách, pričom každé z nich má energiu hf. Jedno takéto kvantum je pohltené jediným elektrónom. Tak každý fotoelektrón prijme energiu jedného svetelného kvanta E = hf, ale pri opúšťaní kovu stráca z tejto energie časť rovnajúcu sa výstupnej práci F = hf_o,, čo je minimálna energia potrebná na uvoľnenie fotoelektrónu z ožarovaného kovu. Aby elektrón opustil povrch kovu musí získať istú minimálnu energiu. Ak energia svetelnej vlny nedosahuje hodnotu výstupnej práce F ( hf < F ), fotoelektróny sa nemôžu uvoľniť z kovu a fotoefekt nepozorujeme. Ak energia svetelnej vlny hf presahuje hodnotu výstupnej práce F ( hf > F ), elektrón môže uniknúť z povrchu kovu, čo interpretujú pozorované závislosti na obr. 13. 1.3.6.