Fotoefekt

Fotoelektriline efekt ehk fotoefekt avaldub valguse (või ka muu elektromagnetkiirguse) ja aine vastastikmõjus, mille tulemusena footonite (valguskvantide) energia kandub aine elektronidele. Fotoefekt hõlmab footonite ja aine vastastikmõju kolme lähedast, kuid füüsikaliselt erisugust protsessi:
Need efektid saavad toimuda, kui footoni energia on küllalt suur ehk kiirguse võnkesagedus piisavalt kõrge. 
Ajalugu.
1887. aastal märkas saksa füüsik Heinrich Hertz, et kui valgustada metallplaati ultraviolettkiirgusega, võib sealt sädemeid lüüa. Teati, et metallid on head elektrijuhid, kuna elektronid on nende aatomiga nõrgemalt seotud ja seega sissetuleva energia järsu suurendamisega saab neid sealt välja lüüa. Mõistatuslik oli aga see, et erinevate metallide jaoks oli emissiooniks vajalik miinimumsagedus erinev. Valguse intensiivsuse tõstmise tagajärjel vabanes rohkem elektrone, kuid nende energia jäi samaks, samas sageduse suurendamisel said elektronid küll suurema energia, kuid nende arv ei muutunud. Seda nähtust hakati kutsuma fotoefektiks.
1900. aastal lahendas Max Planck ülesande musta keha kiirguse kohta, mis näitas, et iga aatom saab neelata või kiirata ainult diskreetse energiaga kvandi formula_1. Planck arvas, et energiakvandi kontseptsioon on lihtsalt matemaatiline trikk, et teooria ühilduks katsega.
1905. aasta märtsis avaldas Albert Einstein artikli, mis andis fotoefektile seletuse. Ta ütles, et valgus on osakeste voog, mille energiad on vastavalt Plancki seadusele seotud nende sagedustega. Kui see kiir suunata metallile, siis footonid põrkuvad aatomitega ja kui footoni sagedus on piisav, et lüüa pinnalt välja elektron, tekib fotoefekt. Valgusosake kannab energiat, mis on võrdeline vastava laine sagedusega. 1921. aastal sai Einstein oma töö eest füüsikas Nobeli auhinna.
Välisfotoefekt.
Fotoefekti tekkimiseks peab pinnale langeva elektromagnetkiirguse sagedus ületama sellele pinnale omase lävisageduse formula_2 või lainepikkus olema väiksem piirlainepikkusest formula_3. Olenemata valguse intensiivsusest fotoefekti ei teki, kui see tingimus ei ole täidetud.
Aine pinnalt kiirguse poolt välja löödud elektrone nimetatakse fotoelektronideks. Selle nähtuse avastas Heinrich Hertz 1887. aastal. Hertz jälgis ja näitas, et elektriline läbilöök elektroodide vahel tekib kergemini, kui valgustada elektroode ultraviolettkiirgusega.
Tänu fotoefekti uurimisele jõuti lähemale valguse ja elektronide kvantolemuse mõistmisele ja see aitas kaasa valguse dualismi sõnastamisele.
Välisfotoefekti nimetatakse ka fotoelektroniemissiooniks ehk fotoemissiooniks.
Emissiooni mehhanism.
Vastavalt laine-osake dualismile käitub valgus samaaegselt nagu laine ja osake. Valguskimbu footonite energia on proportsionaalne valguse sagedusega. Fotoefekti käigus elektron neelab footoni energia ja omandab materjali seoseenergiast suurema energia, mille tulemusena lüüakse elektron ainest välja. Kui footoni energia on liiga väike, ei õnnestu elektronil ainest põgeneda. Kui suurendada kiirguse intensiivsust, siis suureneb footonite arv valguskimbus ja kuigi vabanenud elektronide arv kasvab, jääb nende energia samaks. Vabanenud elektronide energia sõltub üksikute footonite energiast või sagedusest, ei sõltu aga pealelangeva valguse intensiivsusest.
Kiirituse korral saavad elektronid neelata footonite energia, aga nad enamasti järgivad põhimõtet "kõik või mitte midagi": kas neelatakse kogu footoni energia ja kasutatakse see elektroni vabastamiseks aatomist või see eraldub uuesti. Kui footoni energia neelatakse, siis osa energiast vabastab elektroni aatomist ja ülejäänu jääb elektroni kineetiliseks energiaks.
Vabanenud elektroni maksimaalne kineetiline energia formula_4 avaldub kujul
formula_5
kus formula_6 on Plancki konstant, formula_7 footoni sagedus ning formula_8 väljumistöö (tähistatakse ka formula_9 ja formula_10), mis on minimaalne energia, mille elektron peab omandama, et metalli pinnalt väljuda. See avaldub kujul
formula_8 = formula_12
kus formula_2 on metalli lävisagedus. Maksimaalne kineetiline energia avaldub seega kujul
formula_14
Kineetiline energia on alati positiivne, järelikult fotoefekti tekkimiseks peab olema täidetud tingimus formula_15.
Fotoefekti loomust illustreerib seos voolu ja rakendatud pinge vahel. Olgu meil katseseade, kus klaasballoonis, millest on õhk välja pumbatud, paiknevad kaks elektroodi. Elektrood, millele langeb valgus, ühendatakse patarei negatiivse klemmiga. Elektroodidele rakendatud pinget saab muuta potentsiomeetriga. Valgustatud elektrood emiteerib elektrone, mis tekitavad elektriväljas elektrivoolu. Jättes valgusvoolu konstantseks, kuid muutes elektroodidele rakendatud pinget, suureneb voolutugevus. Mingi kindla väärtuse juures saavutab see maksimaalse väärtuse, mida nimetatakse küllastusvooluks. Selle tugevuse määrab elektroodilt ühes sekundis lahkunud elektronide arv. Kui pinge on väike, siis ei jõua kõik elektronid teisele elektroodile. Fotovoolu tugevus erineb nullist aga ka siis, kui pinge on null. Seega osa fotoefekti toimel emiteerunud elektrone jõuab teisele elektroodile ka siis, kui elektroodide vahel pinge puudub. Kui muuta vooluallika polaarsust, siis voolutugevus väheneb ja muutub mingi pinge formula_16 juures nulliks. Selle tulemusena pöörduvad kõik elektronid tagasi elektroodile, kust nad emiteerusid.
Kui formula_17 on emiteerunud fotoelektroni mass ja formula_18 tema maksimaalne kiirus, saame kineetilise energia kirja panna järgmiselt:
formula_19.
Tõkkepinge formula_16 väärtus sõltub väljatõrjutud elektronide maksimaalsest kineetilisest energiast järgmiselt:
formula_21
kus formula_22 on elektroni laeng.
Tõkkepinge on lineaarses sõltuvuses valguse sagedusega, aga sõltub ka materjalist. Emissiooni tekkimiseks, tuleb iga konkreetse materjali jaoks ületada sellele vastav lävisagedus formula_2, mis omakorda ei sõltu laine sagedusest, vaid ainult ainelistest omadustest. Näiteks germaaniumdioodi tõkkepinge muutub vahemikus 0,2–0,3 V ja silikoondioodil 0,5–0,7 V.
Fotoefekti tahkistest käsitletakse tihti kolmeastmelisena:
Vaakumfotoelemendid.
Fotoelement on vaakumtoru, milles on kumer katood, mida kutsutakse emitteriks ja mis on tehtud metallist, milles elektronide väljumistöö on väike. Kui emitterile langeb valgus, mille sagedus on suurem vastavast lävisagedusest, vabanevad elektronid. Anoodiks on toru keskel olev peenike traat, kollektor, mis on piisavalt peenike, et ei blokeeri valgust. Kollektorile antakse positiivne potentsiaal ja tema ülesanne on püüda fotoelektrone. Valguse langemisel fotoelemendi katoodile tekib vooluahelas elektrivool, mis rakendab tööle relee või vajadusel releed. Fotoelemendi ja relee kombinatsioonil põhinevad paljud "nägevad" automaadid, näiteks metroo automaat, mis avab läbipääsu alles siis, kui sellesse on sisestatud piisavalt münte. Taolised automaadid on olulised turvalisuse tagamiseks. Näiteks saab fotoelemendi abil võimas press peaaegu silmapilkselt peatuda, kui inimese käsi on sattunud ohtlikku tsooni.
Fotoelektronspektroskoopia.
Kuna emiteerunud fotoelektronide energia on täpses seoses footoni energia ja materjali seoseenergiaga, saab proovi väljumistöö funktsiooni leida, kiiritades seda proovi monokromaatilise röntgenikiirguse või ultraviolettkiirgusega ja mõõtes emiteerunud elektronide kineetilist energiat.
Fotoelektronspektroskoopia toimub vaakumis, et ei toimuks elektronide põrkeid gaasikeskkonna molekulidega. Kontsentriline poolsfääriline analüsaator kasutab elektrivälja, et muuta elektronide suunda sõltuvalt nende kineetilisest energiast. Seoseenergia on erinev iga elemendi jaoks. Seega analüsaatori väljund annab graafiku, mille kohalikud maksimumid näitavad ära pinnal olevate ainete koostise.
Sisefotefekt.
Sisefotoefekt avaldub pooljuhtides kahel kujul: