φωτοηλεκτρισμός ή φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Εκπομπή ηλεκτρονίων εκ μέρους ενός υλικού συστήματος, που δέχεται τη δράση ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών. Το φαινόμενο, που το παρατήρησε κατά την τελευταία δεκαετία του 19ου αι. ο Ρίγκι, ο οποίος το όρισε ως φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, μελετήθηκε αρχικά διαμέσου του φωτισμού μεταλλικών επιφανειών με υπεριώδες φως. Το φαινόμενο μπορεί να ερμηνευθεί ως μετατροπή της ενέργειας της ακτινοβολίας που προσπίπτει, σε κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων. Όταν η κινητική αυτή ενέργεια είναι επαρκής, ώστε να υπερνικηθούν οι δυνάμεις που συγκρατούν το ηλεκτρόνιο μέσα στο μέταλλο, αυτό μπορεί να απομακρυνθεί από το μέταλλο. Για να υπερνικηθεί η έλξη και να αποσπαστούν τα ηλεκτρόνια, χρειάζεται να προσδοθεί σε αυτά μια ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το έργο εξαγωγής. Σύμφωνα με την κλασική θεωρία, το φως διαδίδεται στον χώρο ως ένα κύμα και η ενέργεια που αυτό μεταφέρει έχει συνεχή υφή, έτσι ώστε μια οποιαδήποτε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, οποιασδήποτε συχνότητας, αλλά υψηλής έντασης, θα μπορούσε να παράγει το φαινόμενο. Στην πραγματικότητα αυτό δεν συμβαίνει, και μόνο αν η συχνότητα ξεπεράσει μια οριακή τιμή ν₀, που ονομάζεται φωτοηλεκτρικό κατώφλι, η οποία εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου και τη θερμοκρασία του, θα έχουμε εκπομπή ηλεκτρονίων. Ακριβέστερα, η διαδικασία παρουσιάζει δύο σημαντικές ιδιότητες: α) ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται ανά μονάδα χρόνου εξαρτάται από την ένταση του φωτισμού, δηλαδή από την φωτεινή ενέργεια που προσπίπτει ανά μονάδα επιφανείας σε ένα δευτερόλεπτο· β) η κινητική ενέργεια των ηλεκτρονίων που αποσπάστηκαν εξαρτάται από τη συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η δεύτερη αυτή ιδιότητα συντελεί ώστε ο φ. να μην μπορεί να ερμηνευτεί σύμφωνα με την κλασική φυσική και, ακριβέστερα, σύμφωνα με την κυματική θεωρία του φωτός. Η ερμηνεία δόθηκε από τον Αϊνστάιν το 1905, ο οποίος βασιζόταν σε ιδέες που είχαν ήδη διατυπωθεί από τον Πλανκ το 1900, για την ερμηνεία του φάσματος ακτινοβολίας του μέλανος σώματος. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή, μια μονοχρωματική φωτεινή ακτινοβολία συχνότητας ν αποτελείται από ένα ν αριθμό φωτονίων ή κβάντων, τα οποία έχουν όλα την ίδια ενέργεια, που δίνεται από τη σχέση ε = hv, όπου h είναι η σταθερά του Πλανκ (h = 6,62 · 10^-27 έργια · δευτ.). Για να πραγματοποιηθεί το φαινόμενο, πρέπει το φωτόνιο να έχει μια ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το έργο εξαγωγής b του ηλεκτρονίου. Η τιμή της οριακής συχνότητας ν ₀ αντιστοιχεί σε μια ενέργεια του φωτονίου μόλις αρκετή για να προκαλέσει την εξαγωγή του ηλεκτρονίου, και δίνεται από τη σχέση Γενικά, η κινητική ενέργεια που κατέχει ένα ηλεκτρόνιο που εκπέμπεται, το οποίο προσβάλλεται από μια ακτινοβολία με συχνότητα ν ≥ ν₀, υπολογίζεται από την εξίσωση: (φωτοηλεκτρική εξίσωση του Αϊνστάιν). Η φωτοηλεκτρική εκπομπή (ή εξωτερικό φωτοηλεκτρικό φαινόμενο) δεν εκδηλώνεται μόνο στα μέταλλα, αλλά κάθε φορά που ένα στοιχειώδες υλικό σύστημα, άτομο, μόριο ή κρύσταλλος, προσβάλλεται από ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με αρκετά υψηλή ενέργεια. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί εύκολα να παρατηρηθεί στην περίπτωση μεταλλικών επιφανειών, αλλά η πλήρης ερμηνεία του έγινε δύσκολη εξαιτίας της εξαιρετικά πολύπλοκης δομής των κρυστάλλων. Στα αέρια και στους μονοατομικούς ατμούς το φαινόμενο γίνεται ιδιαίτερα απλό, εφόσον μπορεί να μελετηθεί σαν να εκδηλωνόταν ξεχωριστά σε κάθε ένα άτομο, το οποίο είναι ένα σύστημα αρκετά απλούστερο και ανάγεται στον ιονισμό του ατόμου. Τα πειράματα πραγματοποιούνται με άμεσες μεθόδους, π.χ. με τον θάλαμο κεκορεσμένων ατμών του Ουίλσον, ή με έμμεσες μεθόδους, με τη μελέτη των φασμάτων απορρόφησης. Την ιδιότητα του φαινομένου εκμεταλλευόμαστε για την κατασκευή των φωτοηλεκτρικών κυττάρων. ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΣ Το κόκκινο φως (φωτεινή ακτινοβολία χαμηλής συχνότητας) δεν προκαλεί την εξαγωγή ηλεκτρονίων από μια μεταλλική επιφάνεια και ανακλάται, επειδή η ενέργεια κάθε φωτόνιου είναι μικρότερη από εκείνην που απαιτείται για την απόσταση ενός ηλεκτρονίου. Το κυανό φως (φωτεινή ακτινοβολία υψηλής συχνότητας) αποτελείται από φωτόνια, που έχουν αρκετή ενέργεια για να αποσπάσουν ηλεκτρόνια από τη μεταλλική επιφάνεια.