Fotoelektrisk effekt

Hvordan greier lys å få et metall til å produsere frie elektroner?

Det viste seg at den klassiske fysikken hadde store problemer med å gi en vitenskapelig forklaring på den fotoelektriske effekt. Spesielt dette at de frie elektronene først ble produsert når lysets frekvens lå over en viss minimumsfrekvens, voldte store problemer for de foreslåtte klassiske forklaringsmodeller. Det var da i 1905 at Albert Einstein framsatte sin berømte forklaring av den fotoelektriske effekt, som siden er blitt stående som den uten tvil riktige forklaringen. Og denne Einsteinske forklaringen av den fotoelektriske effekt utgjorde et radikalt brudd med den klassiske fysikken, og dannet selve utgangspunktet for kvantemekanikken, som i sin tur utgjør det 20. århundres mest betydningsfulle teknisk-vitenskapelige oppdagelse.
Einsteins forklaring var egentlig meget enkel, idet han tok opp en idé som Max Planck allerede hadde lansert i 1900, der lysets strålingsenergi ble diskretisert ved å la dets energi opptre i form av kvanter, der hver lyskvant skulle ha en energi som han – og Planck – mente måtte være proporsjonal med lysets frekvens. Men denne enkle tanken utgjorde et meget radikalt brudd med den da allerede så veletablerte Hertz-Maxwellske elektromagnetiske teori for lysets egenart. Ifølge denne er lys nemlig ikke noe annet enn svingninger i de elektriske og magnetiske felter, som forplanter seg gjennom rommet som et kontinuerlig bølgefenomen. Og en slik teori, veletablert som den var, f.eks. gjennom Guglielmo Marconis arbeid med å benytte Maxwells elektromagnetiske bølger til signaloverføring, tillot ikke at lyset, eller de elektromagnetiske bølgene, skulle kunne opptre i diskrete energibunter, som såkalte lyskvanter. For de sistnevnte var jo diskrete ting, mens de førstnevnte var kontinuerlige. Og det var en umulig tanke at en ting kunne være både diskret og kontinuerlig samtidig. Like vel var det denne selvmotsigelsen som siden skulle danne selve grunnlaget for kvantemekanikken. Dette kalles for komplementaritet, et helt nytt prinsipp i fysikken.

Flere detaljer

Dette skjer fordi fotoner i lyset «slår ut» elektronene. Energien til fotonene må riktignok ha en viss størrelse: For at lys skal kunne slå løs elektroner i et metall, må lysfrekvensen være minst like høy som grensefrekvensen for metallet. Hvis lys med lavere frekvens treffer metallet, vil det ikke bli slått løs elektroner selv om vi øker lysintensiteten (dvs. strålingstettheten eller antall fotoner pr. tidsenhet).
Grunnen til dette er at når et foton treffer et elektron, gir det hele sin energi til det ene elektronet, og dette elektronet får bare energi fra det ene fotonet – og denne energien må være større enn metallets arbeidsfunksjon for å kunne løsrives fra metallet. Når lysfrekvensen er f vil fotonet ha energien E=hf, der h er Plancks konstant. Fotonet må utføre et arbeid W på elektronet for å løsrive det, og hvis fotonenergien E er større enn løsrivningsarbeidet W, vil elektronet bli frigjort. Energien som eventuelt er til overs blir overført som kinetisk energi til elektronet, og vil bestemme hvilken fart elektronet får.
Siden bare ett foton kan gi energi til ett elektron i et slikt støt, har lysintensiteten ikke noe å si for om den fotoelektriske effekt oppstår; bare frekvensen er avgjørende, da energien pr. foton kun er avhengig av frekvensen.
Intensiteten har noe å si for hvor mange elektroner som blir frigjort i løpet av en tid; høyere intensitet betyr flere fotoner, som medfører flere sammenstøt med elektroner, som fører til flere vellykkede løsrivninger (se under).
Løsrivningen som et støt:
Når et foton treffer et elektron vil den ikke automatisk overføre all energien sin; vi må regne på det som et støt mellom to partikler. Dette betyr at selv om et foton har frekvens over grensefrekvensen til metallet og dermed også energi «nok», vil det ikke nødvendigvis si at fotonet får slått løs elektronet: Blir det et svært skjevt støt vil ikke all energien bli overført. Dette vil si at grensefrekvensen og løsrivningsarbeidet til et metall er den/det minste frekvensen/arbeidet som skal til for å slå løs et elektron. Med disse minimumsverdiene menes det at det er disse verdiene som skal til for å slå ut elektronet når støtet er optimalt med tanke på vinkel og fart i forhold til partiklene, og at det da gjelder de(t) elektrone(ne) som er enklest å slå ut, det vil si de som ligger langt utenfor kjernen.
Et slikt støt kalles et Compton-støt.
Vi må imidlertid huske på at Comptoneffekten omhandler vekselvirkningen mellom lys og frie elektroner,
mens den fotoelektriske effekt omhandler vekselvirkningen mellom lys og bundne elektroner, nemlig
elektroner som er bundet til et metall—bundet til å måtte oppholde seg inni metallet,
der de vanligvis ikke så lett unnslipper; om de da ikke skulle sendes ut termisk, som 
fra katoden i et radiorør, eller ved, nettopp, at de blir truffet av fotoner/lyspartikler
som har tilstrekkelig energi/frekvens til å få dem løsrevet fra metallet. Der er stor forskjell på
bundne og frie elektroner.
Den fotoelektriske effekt ble forklart av Albert Einstein i 1905, da han publiserte sin avhandling om egenskapene til varmestrålingen og konsekvensene av Plancks strålingslov basert på termodynamikk og statistisk fysikk. Dette arbeidet anses i ettertid ikke for hans største – relativitetsteorien rager høyere blant de fleste – men var mer «fordøyelig» for datidens vitenskapelige miljø, og var grunnlaget for tildelingen av Nobelprisen i fysikk til Einstein i 1921. Men når det gjelder
det 20 århundres store samfunnsmessige tekniske omkalfatringer, der de mest avanserte uten tvil ikke kunne ha vært gjennomført uten
de store framskrittene som blev gjort innen elektronikk og faste stoffers fysikk, så er det klart at Einsteins beskjeftigelse
med fotoelektrisiteten og kvantemekanikk har hatt langt større samfunnsmessig gjennomslag enn hans mer abstrakte relativitetsteori. 
Hans E = mc² - et av relativtetsteoriens mer berømte resultater - har riktignok vært meget viktig, både for kjernekraft og
Hiroshima, men i dagliglivet er det nok elektronikken som har gått av med seieren for folk flest—så langt.