fotoeffektus
(fényelektromos hatás, külső fotoeffektus, belső fotoeffektus, fotoáram)

A megvilágított fémfelületből a megvilágítás hatására elektronok lépnek ki, s az elektronkilépés azonnal követi a megvilágítást.
A jelenség ugyan szigetelő felületen is lejátszódik, de mivel a kiütöttt elektronokat az anyag belseje felől semmilyen vezetési mechanizmus nem pótolja, a kialakuló pozitív felületi töltéssűrűség -elektronhiány- megakadályozza a további elektronkilépést. Fenntartható folyamatként fotoeffektus -fényelektromos hatás- tehát csak vezetőknél figyelhető meg.
Azt a jelenséget, hogy a rosszul vezető felületek a megvilágítás látens (rejtett) képét felületi töltéseloszlás formájában képesek hosszabb, rövidebb ideig megőrizni, a mindennapi használatunkban levő lézernyomtatók, fénymásolók hasznosítják.

A jelenséget külső fotoeffektusnak nevezik, feltehetően azért, mert ennek során az elektron elhagyja a megvilágított felületet. Belső fotoeffektus jelenségében a megvilágított szigetelők, félvezetők elektromos vezetőképessége megnövekszik. A jelenség annak tulajdonítható, hogy a megvilágítás hatására a mozgásra képes töltéshordozók koncentrációja növekszik meg a megvilágítás időtartamára.

A folyamatot kiváltó megvilágítást két adattal jellemezzük, a megvilágító fény színe, vagy általánosabb esetben spektrális összetétele, valamint a megvilágítás intenzitása (erőssége). Amikor azt mondjuk, hogy a megvilágítás erősségét növeljük, akkor hozzágondoljuk, hogy ezt változatlan spektrális összetétel mellett tesszük.

A folyamat során bekövetkező elektronkilépést két adattal jellemezhetjük: a kilépő elektronok (mozgási) energiájával - energiaeloszlásával, valamint az időegységenként kilépő elektronok számával.
A kisérletek azt tanúsítják, hogy az intenzitás növelése nem befolyásolja a kilépő elektronok energiáját, ekkor csupán a időegységenként kilépő elektronok száma növekszik meg.
A kilépő elektronok energiája, a megvilágító fény frekvenciájától függ adott fotokatód esetén.
Einstein képlete szerint a foton energiája egyetlen lépésben elnyelődik, ez egyrészt fedezi az adott anyagra jellemző, az elektron kiléptetéséhez szükséges munkát, a maradék energia a kilépő elektron mozgási energiájában jelenik meg. Einstein fényelektromos hatásra vonatkozó összefüggése a következő:

hn = W_kilépési - W_mozgási

Meg kell jegyeznünk, hogy a fenti forma csak a legnagyobb energiájú elektronokra áll fönn, általánosabb a hn > egyenlőtlenséggel felírt alak. Az egyenlőtlenség azt jelenti, hogy nem csak a fém legnagyobb energiaállapotban lévő elektronjai léphetnek ki a fotoeffektus folytán, hanem a mélyebb energiaszintekről is történhet kilépés. A továbbiakban számításainkat a legnagyobb energiájú elektronokra végezzük el, azaz az egyenlőséget fogjuk használni.
Ha a megvilágítást kisebb frekvenciájú fénnyel követjük el, akkor a jobboldalon, csak a kilépő elektron mozgási energiája csökkenhet, mivel a kilépési munkát a megvilágított felület anyaga meghatározza. A mozgási energia legkisebb értéke nulla, így egy küszöbfrekvencia alatt a fényelektromos jelenség már nem figyelhető meg. A küszöbfrekvenciánál a foton energiája éppen fedezi a kilépési munkát.

hn_k = W_kilépési - W_mozgási

Elektronkilépés csak ezen küszöbfrekvencia fölött van.
A fotoeffektus során kilépő elektronokat egy ráccsal gyűjtjük ki, ezen töltések árama az úgynevezett fotoáram.
Ha a rácsra negatív U feszültséget kapcsolunk, akkor csak azok az elektronok képesek az elektródára feljutni -így a fotoáramhoz hozzájárulni- amelyek kezdeti mozgási energiája nagyobb vagy éppen egyenlő az elektromos tér ellen végzendő qU munkánál. Ha ezt az U ellenteret fokozatosan növeljük, akkor elérhetünk egy olyan feszültségértéket, amelynél a fotoáram éppen eltűnik. Ekkor a legnagyob energiájú elekronok energiájára fönnáll W_k=qU. Vagyis az elektronok mozgási energiáját mérni tudjuk. Ez lehetővé teszi a h Planck-féle állandó viszonylag egyszerű laboratoriumi meghatározását. Ha ugyanis egy n₁ frekvenciájú fénynél U₁ a fotoáramot megszüntető ellenfeszültség, és n₂ frekvenciájú fénynél U₂, akkor fönnállnak a következők:

hn₁ = W_kilépési + qU₁

Kivonás után kapjuk:

Itt értelemszerűen q az elemi töltést jelöli.

A jelenség egykori fontossága abban van, hogy a fényelektromos hatás csak a fény részecske természetű oldalával magyarázható.

Van még néhány olyan jelenség (téremisszió, termikus elektronemisszió, másodlagos elektronkilépés) amely elektronkilépéshez vezet, s e jelenségek némelyike igen fontos alkalmazási területeket is talált.

Történet
Heinrich Hertz in 1886-ban megfigyelte, hogy detektorának fémgömbjén megnövekedett a szikrázás, ha UV-sugárzás érte.
Hallwachs in 1888-ban felfedezte a fotoelektromos cella alapvető elvét, hogy bizonyos anyagok UV-sugárzás hatására elektronokat bocsátanak ki. (Elektromosan töltött cinklemezeket megvilágítva.)
J.J. Thomson kimutatta 1899-ben, hogy a megvilágított fémfelületről elektronok távoznak.
Lénard Fülöp 1902-ben kidolgozta a fény hatására történő elektronkilépés részleteit.

Felhasznált irodalom