2. Fotonok, mint a fény kvantumai
Einstein zsenialitását mutatja, hogy 1905-ben úgy sikerült értelmeznie a fényelektromos hatást a (2.4) egyenlet fölírásával, hogy a 2.3 ábrán bemutatott és a (2.2) egyenlettel leírt lineáris összefüggésre vonatlozó mérési adatok még nem voltak ismeretesek! A Planck-féle kvantumhipotézist általánosítva feltételezte, hogy a fény az anyag elektronjaival történő kölcsönhatásban nem klasszikusan leírható folytonos hullámként, hanem hf energiájú részecskék, ún. fotonok összességeként viselkedik. Egy f frekvenciájú fény csak hf adagokban képes energiát átadni. Ekkora energiaadagnak az elektron általi átvétele egyúttal egy foton megszűnését (elnyelődését, abszorpcióját) jelenti. (A foton elnevezést először Lewis vezette be 1926-ban, Einstein maga 1905-ben még a fényenergia-kvantum megnevezést használta.) A fény intenzitása a fotonok számával arányos, ez magyarázza miért arányos a fotoáram, tehát a fotoeffektussal a fémből kilökött elektronok száma a fény intenzitásával. Annak a valószínűsége ugyanis, hogy egy elektron egyszerre két fotont nyeljen el a szokásos intenzitások mellett elenyésző. (Nagy intenzitású lézerfénnyel napjainkban már elő lehet idézni többfotonos fotoeffektust is.) Egy foton elnyelődése – ha bekövetkezik – nagyon rövid idő (kevesebb mint 10-9 s) alatt játszódik le. Egy elektron tehát vagy nem kap semennyi energiát a fénytől, vagy „egyszerre” hf energiaadagot kap, nem az történik tehát, hogy hosszú idő alatt folyamatosan gyűjt össze akkora energiát, hogy ki tudjon lépni a fémből.
A fotonképpel nagyon szemléletesen értelmezhető a (2.4) egyenlet. A fémkatód egy elektronja hf energiára tesz szert egy foton elnyelése révén. Ahhoz azonban, hogy az elektron kiléphessen a fémből minimum W(hfkr) energiával kell rendelkeznie. A W ún. kilépési munka értéke minden fémre más és más, pl. nátriumra 2,28 eV, rézre 4,48 eV. A kilépés után tehát legfeljebb hf-W energiája marad az elektronnak, kinetikus energia formájában. Ennél kevesebb persze lehet a mozgási energia, attól függően, hogy a foton elnyelése előtt mekkora volt az elektron ún. kötési energiája, illetve a foton elnyelése és a fém elhagyása között mennyi energiát veszít az elektron még a fém belsejében. A fémekben a legkevésbé kötött, ún. vezetési elektronok energiája egy bizonyos sávban oszlik el (lásd … ?). A W kilépési munkát ebben a „vezetési sávban” legmagasabban lévő elektronok kötési energiája szabja meg.
Einstein – mint köztudott – 1921-ben a fotoeffektus magyarázatáért (és nem a relativitáselméletért) kapta a Nobel-díjat.
|
