fotoelektrisk effekt

Fænomenet blev opdaget af den tyske fysiker Wilhelm Hallwachs (1859-1922) i 1887. Albert Einstein forklarede i 1905 fotoeffekten ved, at et lyskvant (en foton) absorberes og derved frigør en elektron med en energi, der afhænger af lyskvantets energi, dvs. af lysets frekvens og ikke af dets intensitet. Det modtog han Nobelprisen for i 1921.

Kvantemekanikkens beskrivelse af atomet overflødiggjorde henvisningen til lyskvantet for forståelsen af fotoeffekten. Først efter 1960'erne er lysets kvantenatur trådt klart frem i forbindelse med fotoeffekten; se kvanteoptik.

Energien (den kinetiske energi) af den elektron, der udsendes ved fotoelektrisk effekt kan beregnes som E=h·f−W, hvor h er Plancks konstant, f er lysets frekvens og W er elektronens bindingsenergi. Elektronerne udsendt med den største kinetiske energi er dem, der inden udsendelse havde den laveste bindingsenergi. Denne betegnes materialets arbejdsfunktion (på engelsk work function). Den fotoelektriske proces kan således kun foregå, hvis fotonenergien h·f er større end arbejdsfunktionen. Dette kræver for langt de fleste materialer ultraviolet stråling.

Da elektronerne fra den fotoelektriske effekt kan registreres som en elektrisk strøm, er fotoeffekten hovedprincippet bag tidlige apparater til lysdetektion, bl.a. i butiksdøres fotoceller og i avancerede laserforsøg.

Den fotoelektriske effekt danner baggrund for en række materialekarakteriseringsmetoder, der baserer sig på den fotoelektriske effekt, som i denne sammenhæng ofte benævnes fotoemission. Ved at benytte lyskilder med en velbestemt frekvens (og dermed fotonenergi) og samtidig måle energien af de udsendte elektroner kan man, jævnfør formlen ovenfor, bestemme elektronernes oprindelige bindingsenergi. Disse energiniveauer er karakteristiske for materialet.

Benyttes røntgenstråling til disse studier, er det muligt at detektere elektroner fra de indre skaller af de atomer, materialet er opbygget af, hvorved materialets grundstofsammensætning kan bestemmes. Dette kaldes røntgenfotoemissionsspektroskopi (på engelsk x-ray photoemission spectroscopy, forkortet XPS).

Med højtopløst ultraviolet stråling kan man udnytte ultravioletfotoemissionsspektroskopi til at studere energiniveauerne for de løsere bundne elektroner i materialerne og således bestemme deres såkaldte båndstruktur. Strålingen, der benyttes til sådanne studier, er i dag som oftest synkrotronstråling fra moderne synkrotroner som den danske ASTRID2.

• fotoelektron
• foton
• detektor