Fotoelektrisk effekt er et av de viktigste fenomenene i moderne fysikk. Kort sagt handler det om at lys kan slå elektroner løs fra en metalloverflate. Det høres kanskje ut som en liten detalj, men nettopp dette fenomenet viser at lys ikke bare kan beskrives som bølger. Lys kan også oppføre seg som små energipakker, fotoner. For elever i Fysikk 2 er temaet viktig fordi det binder sammen bølger, energi, elektroner, kvantisering og atomfysikk. Når du forstår fotoelektrisk effekt, forstår du også hvorfor klassisk fysikk ikke alltid er nok.
I læreplanarbeid etter LK20 er det ikke tilstrekkelig å pugge en formel. Du skal kunne bruke modeller, forklare sammenhenger, tolke grafer og vurdere hva et forsøk faktisk viser. Fotoelektrisk effekt passer svært godt til dette. Fenomenet kan undersøkes eksperimentelt, forklares matematisk og knyttes til teknologi som solceller, lyssensorer og fotomultiplikatorer. Derfor er dette et tema som ofte gir gode eksamensspørsmål: sensor kan teste både begrepsforståelse, regneferdighet og evnen til å bruke fysikk til å forklare observasjoner.
På ifingo kan du jobbe videre med relaterte forklaringer i ressursbanken, for eksempel /ressursbank/artikler/kvantefysikk, /ressursbank/artikler/boelge-partikkel-dualitet og /ressursbank/artikler/fotoner. Disse temaene henger tett sammen og gjør det lettere å se helheten i moderne fysikk.
Grunnideen: lys gir energi til elektroner
I et metall finnes det elektroner som kan bevege seg ganske fritt inne i metallet. Likevel slipper de ikke automatisk ut av metalloverflaten. De holdes tilbake av elektriske krefter og trenger en viss minimumsenergi for å komme løs. Denne minimumsenergien kalles løsrivelsesarbeid, ofte skrevet som W eller phi. Løsrivelsesarbeidet er forskjellig fra metall til metall. Noen metaller slipper elektroner lettere enn andre.
Når lys treffer metallet, kan energien i lyset overføres til elektronene. Dersom hvert foton har stor nok energi, kan ett foton gi nok energi til ett elektron. Da blir elektronet revet løs fra overflaten. Hvis fotonet har mer energi enn det som trengs for å frigjøre elektronet, blir overskuddet til kinetisk energi hos elektronet. Dette er kjernen i Einsteins forklaring av fotoelektrisk effekt:
- Fotonenergi: E = h f
- Løsrivelsesarbeid: W
- Maksimal kinetisk energi: E_k,max = h f - W
Her er h Plancks konstant, f er frekvensen til lyset, og E_k,max er den største kinetiske energien de frigjorte elektronene kan få. Legg merke til at det er frekvensen som bestemmer energien per foton, ikke hvor sterkt lyset er. Høy intensitet betyr mange fotoner, men ikke nødvendigvis mer energi i hvert foton.