Foto-elektrisch effect

Niet elke elektromagnetische golf zal het foto-elektrisch effect veroorzaken, alleen straling van een bepaalde frequentie of hoger zal het effect veroorzaken. De minimaal vereiste frequentie wordt de "afsnijfrequentie" of "drempelfrequentie" genoemd. De drempelfrequentie wordt gebruikt om de arbeidsfunctie, w , die de hoeveelheid energie is die het elektron aan het metaaloppervlak houdt. De werkfunctie is een eigenschap van het metaal en wordt niet beïnvloed door de invallende straling. Als een lichtfrequentie het metaaloppervlak raakt die groter is dan de afsnijfrequentie, dan zal het uitgezonden elektron enige kinetische energie hebben.

De energie van een foton dat het foto-elektrisch effect veroorzaakt, wordt gevonden met E = h f = K E + w {\displaystyle E=hf=KE+w} waarin h de constante van Planck is, 6,626×10-34 J-s, f de frequentie van de elektromagnetische golf, K E de kinetische energie van het foto-elektron en w de werkfunctie van het metaal. Als het foton veel energie heeft, kan er Comptonverstrooiing (~duizenden eV) of paarproductie (~miljoenen eV) plaatsvinden.

De intensiteit van het licht alleen leidt niet tot het uitwerpen van elektronen. Alleen licht met de afsnijfrequentie of hoger kan dat doen. Verhoging van de intensiteit van het licht zal echter het aantal uitgezonden elektronen doen toenemen, zolang de frequentie boven de afkapfrequentie ligt.

Heinrich Hertz deed de eerste waarneming van het foto-elektrisch effect in 1887. Hij meldde dat een vonk gemakkelijker oversprong tussen twee geladen bollen als er licht op scheen. Verdere studies werden gedaan om meer te weten te komen over het door Hertz waargenomen effect. In 1902 toonde Philipp Lenard aan dat de kinetische energie van een foto-elektron niet afhangt van de lichtintensiteit. Het duurde echter tot 1905 voordat Einstein een theorie voorstelde die het effect volledig verklaarde. Volgens deze theorie bestaat elektromagnetische straling uit een reeks deeltjes, fotonen genaamd. De fotonen botsen met de elektronen op het oppervlak en zenden deze uit. Deze theorie druiste in tegen de overtuiging dat elektromagnetische straling een golf was. Daarom werd zij aanvankelijk niet als juist erkend. In 1916 publiceerde Robert Millikan de resultaten van experimenten met een vacuüm-fotobuis. Zijn werk toonde aan dat de foto-elektrische vergelijking van Einstein het gedrag zeer nauwkeurig verklaarde. Millikan en andere wetenschappers aanvaardden Einsteins theorie van de lichtkwanta echter minder snel. Maxwells golftheorie van elektromagnetische straling kan het foto-elektrisch effect en de zwarte-lichaamsstraling niet verklaren. Deze worden verklaard door de kwantummechanica.