Valosähköinen ilmiö
Valosähköisessä ilmiössä fotoni absorboituu atomiin irrottaen tästä elektronin. Ilmiössä fotoni katoaa ja sen koko energia siirtyy elektronille. Irronnutta elektronia kutsutaan fotoelektroniksi. Ilmiö havaitaan useimmin metalleilla.
Valosähköisen ilmiön havaitsi ensimmäisen kerran Heinrich Hertz vuonna 1887. Hän huomasi, että kipinä hyppää kahden sähköisesti varatun levyn välillä helpommin, kun toiseen levyyn säteilyttää valoa.
Kokeellisesti valosähköilmiöstä todettiin seuraavat seikat:
Näiden koetulosten selittäminen osoittautui ongelmaksi. Klassisen teorian mukaan minkä tahansa taajuisen säteilyn olisi pitänyt irrottaa elektroneja, kunhan vain säteilyn intensiteetti on tarpeeksi suuri. Ei myöskään voitu selittää, miksi elektronien liike-energia riippuu säteilyn taajuudesta, mutta ei sen intensiteetistä.
Asia voitiin selittää vasta kvanttiteorian avulla, ja ilmiö onkin tärkeä osoitus valon hiukkas­luonteesta ja aalto-hiukkasdualismista. Tämän osoitti Albert Einstein vuonna 1905. Einstein sovelsi selityksessään Max Planckin kehittämää kvanttiteoriaa. Planck oli todennut, että lämpösäteily lähtee määräsuuruisina kvantteina ja että tällaisen kvantin energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen, mutta Einstein osoitti, että tämä säteilyn kvanttiluonne säilyy sen lähtemisen jälkeenkin ja että se myös absorboituu samansuuruisina kvantteina. Valosähköisessä ilmiössä energia välittyy yhden kvantin, fotonin kokoisina annoksina yksittäiselle elektronille. Elektroni ei siis voi kerätä irtoamiseen tarvitsemaansa energiaa useilta fotoneilta, vaan sen on saatava se yhtenä pakettina. Voidaan ajatella, että fotonit antavat elektroneille tietynsuuruisia iskuja: jos elektroni ei irtoa yhdellä iskulla, se ei irtoa lainkaan, vaikka sitä kuinka pommitettaisiin.
Einsteinin matemaattinen muotoilu ilmiölle on vuodelta 1905, jolloin hän julkaisussaan "Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" esitti, että sähkömagneettista säteilyä voisi kuvata tietynsuuruisina energiapaketteina, kvantteina (nyk. fotoni). Valokvanttien idea oli ristiriidassa James Maxwellin sähkömagneettista säteilyä kuvaavien yhtälöiden kanssa, ja sen kanssa että energia oletettiin jatkuvasti jakautuneeksi. Vielä sen jälkeen kun kokeet näyttivät Einsteinin teoriat tarkoiksi, ajatusta fotoneista ei yleisesti hyväksytty. Einsteinin kaava ennusti irrotettujen elektronien energian kasvavan lineaarisesti säteilyn taajuuden funktiona. Robert Millikan näytti tämän todeksi 1915.
Vuonna 1921 Einstein sai valosähköisen ilmiön selityksestä Nobelin fysiikan­palkinnon.
Fotonin energia formula_1 voidaan laskea sen taajuuden formula_2 tai vaihtoehtoisesti aallonpituuden formula_3 avulla yhtälöllä
missä formula_5 on Planckin vakio ja formula_6 on valon nopeus tyhjiössä.
Säteilykvantin eli fotonin energian täytyy olla tarpeeksi suuri, että se voisi irrottaa atomista elektronin. Tällöin energiaa tarvitaan vähintään irrotustyön eli elektronin sidosenergian formula_7 verran. Sidosenergia on ominainen kullekin metallille.
Jos fotonin aallonpituus on riittävän lyhyt ja siten sen energia on suurempi kuin elektronin sidosenergia (formula_8), loput fotonin energiasta muuttuu irronneen elektronin liike-energiaksi formula_9. Elektronin liike-energia on siis fotonin energian ja sidosenergian erotus, ja se voidaan ilmaista muodossa
Tässä formula_11 on irronneen elektronin massa ja formula_12 on sen nopeus.
Jos metalliin tulleen fotonin energia formula_1 ja elektronien nopeus tunnetaan, esimerkiksi mittaamalla, voidaan yhtälöstä periaatteessa saada selville metallille ominainen irrotustyö formula_7.
Elektronit vuorovaikuttavat voimakkaasti atomien elektroniverhojen kanssa, joten syvemmältä pinnasta lähteneen elektronin saapuessa pinnalle sen liike-energia on saattanut pienentyä törmäysten johdosta. Siksi todellisuudessa havaitaan elektronien nopeusjakauma, jonka maksimiarvoa formula_15 käyttämällä voidaan laskea metallin irrotustyö.