Fotoelektrisk effekt

Den fotoelektriske effekt er det fænomen, at elektroner udsendes fra en overflade (normalt af metal) når overfladen udsættes for og absorberer kvanter af elektromagnetisk stråling med en vis fotonenergi, som regel målt i elektronvolt (eV) (fotoner), som f.eks. ultraviolet lys eller synligt lys fotoner, hvis energi overskrider en vis energikvantetærskel kaldet løsrivelsesenergien. Denne tærskel er en materialekonstant; en størrelse der afhænger af hvilket stof overfladen er lavet af. Alkalimetaller behøver minimum synligt lys fotoner; minimum UVA-UVC for almindelige metaller – og minimum UVD for ikke-metaller.

Det at alkalimetaller behøver den mindste fotonenergi for at få løsrevet elektroner, er netop årsagen til at elektronrørs orangeglødende og lysstofrørs katoder har en overflade af alkalimetal.

Ingen elektroner bliver udsendt med belysning af stråling, som består af fotoner under denne energikvantetærskel, da elektronerne så ikke kan få nok energi til at bryde med overfladens atombindinger. Elektronerne, som bliver udsendt, bliver i mange lærebøger benævnt 'fotoelektroner'. Når en del af fotonenergien er "forbrugt" på at frigøre elektronen, vil den tiloversblevne energi blive omsat til bevægelsesenergi hos elektronen: Jo mere fotonens kvanteenergi overskrider tærsklen, desto større fart vil elektronen have på sin vej væk fra overfladen.

Albert Einstein fik Nobelprisen i fysik i 1921 for forklaringen af den fotoelektriske effekt.

Lys som partikler 

Omkring 1900-tallets begyndelse opdagede man at metallers overflade kunne udsende elektroner når de blev bestrålet med lys. Elektroner optager energi fra lyset og får energi nok til at bevæge sig væk fra overfladen. Det sker hvis metallet bliver belyst med lys med stor frekvens. Det kaldes fotoelektriske effekt (kommer af ordet foton). Lys kan opfattes som små bølgepakker. En bølgepakke kaldes en foton. Den foton opfattes som en partikel. Det at det er en partikel med en bølgelængde er lidt specielt, det er ikke normalt. 

Når et stof udsender eller optager lys sker det i form af fotoner. En fotons energi afhænger af udelukkende lysets frekvens. Jo større frekvens for lyset jo mere energi indeholder fotonen.

Kinetisk energi 
For at excitere elektroner, der er blevet tiltrukket til et stykke metal, kan man belyse metallet med elektromagnetisk stråling, fx ved brug af en lampe, hvilket som sagt er pointen med den fotoelektrisk effekt. Det kræver dog ofte lys med meget korte bølgelængder, fordi disse former for lys består af fotoner, der individuelt har en stor energi. En meget kraftig halogenpære, eller selv en kraftig tungstenlampe, med masser af watt, er dermed ikke hensynsfulde til dette formål. Nok er lyset, der udsendes fra sådanne lyskilder, kraftige, men bølgelængderne for deres lysbølger er ikke særlig korte, dvs. lyspartiklerne (fotonerne) ikke individuelt har særlig høj energi. I stedet er energien i lyset fra sådanne lamper kraftigt, fordi energien for individuelle fotoner går sammen om at skabe stærkere lys. Forskellige metaller kræver elektromagnetisk stråling med forskellige bølgelængder for at få de fangede elektroner til at løsrive sig, men der gælder, at lys med korte bølgelængder, fx ultraviolet lys, vil kunne klare det. Grunden til, at lys med korte bølgelængder kan få exciteret elektronerne tilstrækkeligt er, at de individuelle fotoner i disse former for lys har en høj frekvens og dermed også en høj energi - specifikt en høj kinetisk energi.

Den kinetiske energi for elektroner, som er fanget i den ene af to metalplader i et kredsløb og dermed ikke kan bevæge sig til den anden metalplade kan udregnes ved denne formel,

Hvor  er elektronernes kinetiske energi målt i Joules.
 er når elektronerne ikke bevæger sig og ikke kan komme til den modsatte plade, også kaldet standsningspotentialet, og er målt i volt.
og  er elektronernes ladning målt i coulombs, eller ampere per sekund.

Beregning af fotonernes energi (Plancks formel) 
Energien  kan beskrives som

hvor  er frekvens og  er Plancks konstant.

Se også 
 Fotovoltaisk effekt - effekten benyttes i fx solceller
 Fotomagnetisk effekt
 Fotosyntese

Eksterne links 

 International Year of Light and Light-based Technologies 

Fotovoltaiske celler
Kvantemekanik