Redigerer Fotoelektrisk effekt

[[Fil:Photoelectric effect in a solid - diagram.svg|thumb|right|240px|Ved den fotoelektriske effekt kan innkommende, [[elektromagnetisk stråling]] slå ut [[elektron]]er fra et metallisk materiale.]]

'''Fotoelektrisk effekt''' består av at [[elektron]]er blir frigjort fra en metallisk overflate når den belyses eller utsettes for annen [[elektromagnetisk stråling]]. Teoretisk har effekten spilt en viktig rolle i forståelsen av lys som bestående av [[foton]]er og [[bølge–partikkel-dualitet]] i [[kvantemekanikk]]en. Dette ble belønnet med en [[nobelprisen i fysikk]] til [[Albert Einstein]] i 1921 og til [[Robert Millikan]] i 1923. Effekten fikk tidlig anvendelse i konstruksjon av fotoceller for registrering av lys og [[fotomultiplikator]]er ved lave intensiteter.

Elektroner kan frigjøres på samme måte også fra enkelte [[atom]] som derved blir [[ionisering|ionisert]], men den prosessen omtales som «fotoproduksjon».

I nyere tid har den tilsvarende effekten i [[halvleder]]e fått stor, praktisk betydning i forskjellige sammenhenger innen moderne [[elektronikk]] og [[digital fotografi|digital fotografering]]. Her blir ikke elektroner frigjort av lyset, men flyttet mellom forskjellige, bundne [[kvantetilstand]]er i materialet. På lignende vis virker den [[fotovoltaisk effekt|fotovoltaiske effekt]]en som benyttes i konstruksjon av [[solcelle]]r.

==Bakgrunn==

Oppdagelsen av den fotoelektriske effekten i 1887 tilskrives vanligvis [[Heinrich Hertz]] i forbindelse med hans eksperiment for å påvise elektromagnetiske bølger. Disse ble skapt i et [[gnistgap]] mellom to metalliske kuler under høy spenning. Bølgene ble registrert i et mindre gnistgap i en metallisk ring som virket som antenne. Hertz merket at denne gnistens lengde var påvirket av gnisten i senderen. Han konkluderte at effekten var forårsaket av [[ultraviolett lys]] fra denne som frigjorde elektriske ladninger i antennens gnistgap. Observasjonen ble publisert, men Hertz fulgte den ikke opp med nærmere studier.<ref name = hertz> J.Z. Buchwald, ''The creation of scientific effects: Heinrich Hertz and electric waves'', University of Chicago Press, Chicago (1994). ISBN 0-226-07888-4.</ref>

Dette fenomenet syntes å vise at lys kunne konverteres direkte til elektrisitet og vakte oppmerksomhet flere steder. I Tyskland gjennomførte  [[Philipp Lenard]] som hadde vært assistent hos Hertz, en serie med eksperimentelle undersøkelser av effekten.  Kort tid etter at [[Joseph John Thomson|J.J. Thomson]] i 1897 oppdaget elektronet, viste han også at det var slike ladninger som ble skapt ved den fotoelektriske effekten. Samme resultat var Lenard kommet frem til og beskrev i 1902 effekten som emisjon av [[katodestråle]]r. I 1905 mottok han [[nobelprisen i fysikk]] for sine undersøkelser av egenskapene av denne strålingen.<ref name = Pais-1> A. Pais, ''Inward Bound'', Oxford University Press, England (1986). ISBN 0-19-851971-0.</ref> 

===Eksperiment===
[[Fil: Photoelectric effect measurement apparatus - microscopic picture.svg|left|thumb|240px|Fotoelektrisk effekt til venstre med negativ anodespenning, positiv til høyre.]] 

Ved den vanlige måten å studere fotoeffekten sender man [[ultraviolett lys]] mot en metallisk [[katode]] inne i et vakuumrør. Hvis dette i tillegg inneholder en positiv ladet [[anode]], vil denne tiltrekke seg elektroner, og en [[elektrisk strøm]] kan registreres i en ytre krets mellom katode og anode. Ved å øke den positive spenningen på anoden, tiltrekker den seg flere elektroner og strømmen øker. Til slutt går denne i metning da det ikke skapes flere elektroner. Strømmen kan nå bare økes ved å øke intensiteten på lyset som benyttes.

Derimot vil strømmen i kretsen reduseres når spenningen på anoden er negativ, og den virker frastøtende på elektronene. Bare de mest energetiske med [[kinetisk energi]] ''K''<sub>max</sub> vil nå frem til anoden. Ved en viss, negativ spenning ''V''<sub>0</sub> blir strømmen null og omtales derfor som ''stoppepotensialet''. Elektronets ladning er gitt ved [[elementærladning]]en ''e&thinsp;'' slik at dets [[potensiell energi|potensielle energi]] ''eV''<sub>0</sub> da må være lik den kinetiske energien,

: <math> K_{max} = e V_0 </math>

Lenards kanskje viktigste oppdagelse var at denne maksimale energien uttrykt ved spenningen ''V''<sub>0</sub> var uavhengig av lysintensiteten. Dette var i motstrid med den klassiske forklaringen der elektronene ble frigjorte ved at de mottok energi fra det innkommende lyset. Når man økte dets intensitet, ville man derfor forvente at elektronene fikk en tilsvarende økning i sin energi.
På samme måte viste eksperiment at effekten kun finner sted når lyset har en viss minimal [[frekvens]] ''&nu;''<sub>0</sub> som kun avhenger av katodene egenskaper. Dette var også vanskelig å forklare da man forventet fra klassisk fysikk at elektroner alltid kunne frigjøres ved å tilføre dem nok energi, det vil si ved tilstrekkelig høye lysintensiteter.<ref name = ER> R. Eisberg and R. Resnick, ''Quantum Physics of Atoms, Molecules, Solids, Nuclei and Particles'', John Wiley & Sons, New York (1974). ISBN 0-471-23464-8.</ref> 

For å komme ut av denne konflikten med klassisk strålingsteori, foreslo Lenard at elektronene hadde denne kinetiske energien på forhånd inne i atomene og at lyset bare frigjorde dem ved en «triggermekanisme». At hastigheten til elektronene syntes å øke med frekvensen til lyset, kunne han forklare ved [[resonans]] mellom denne frekvensen og omløpshastighetene til elektronene i atomet. På den tiden hadde man ingen akseptert forståelse av atomets indre.<ref name = Wheaton>  B.R. Wheaton, ''Philipp Lenard and the Photoelectric Effect'', 1889-1911, Historical Studies in the Physical Sciences '''9''', 299-322 (1978).</ref>

==Einsteins forklaring==

Da Lenard i 1905 mottok nobelprisen i fysikk for sitt arbeid med katodestråler, hadde [[Einstein]] tidligere på året publisert sin egen forklaring av den fotoelektriske effekten. Den hadde et helt annet innhold enn Lenards idéer, men var ikke i overenstemmelse med den vanlige beskrivelsen av lys som elektromagnetiske bølger styrt av [[Maxwells ligninger]]. Av den grunn ble ble den møtt med mye skepsis. Likevel skulle den i årene som fulgte få meget stor betydning for utviklingen av moderne fysikk.<ref name = Pais-2> A. Pais, ''Subtle is the Lord'', Clarendon Press, Oxford (1982). ISBN 0-19-853907-X</ref>

Einstein tok utgangspunkt i [[Plancks strålingslov|teorien for sort stråling]] som Max Planck hadde utviklet fem år tidligere. Den var basert på antagelsen av at elektromagnetisk stråling med frekvens ''&nu;&thinsp;'' kun kan emitteres eller absorberes i små, diskrete [[kvant]] med energi {{nowrap|''E {{=}} h&nu;&thinsp;''}} hvor faktoren ''h'' er [[Plancks konstant]]. Mens Planck mente at selve strålingen likevel skulle beskrives som kontinuerlige, [[elektromagnetisk felt|elektromagnetiske felt]], kom Einstein ved bruk av [[termodynamikk]] frem til at den på noen måter kan beskrives som en [[gass]] bestående av diskrete partikler eller [[foton]]er, hver med energi {{nowrap|''E {{=}} h&nu;''}}. Hvordan lys likevel kan gi opphav til bølgefenomen som [[interferens]] og [[diffraksjon]], lot han være å kommentere.<ref name = Einstein-1>A. Einstein, ''Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt'', Annalen der Physik '''322''' (6), 132-148 (1905). [http://www.physik.uni-augsburg.de/annalen/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf PDF] </ref>
 
Absorbsjon av lys kan nå forklares ved at hele energien til et foton overføres til et elektron. Dette er en videreføring av antagelsen til Planck. Da elektroner i [[metaller]] kan bevege seg forholdsvis fritt, kan de dermed motta så mye energi at de frigjøres. Den nødvendige energien eller  ''frigjøringsarbeidet'' ''W'' som kreves for dette, er karakteristisk for hvert materiale og tilsvarer en [[bindingsenergi]] og blir også omtalt som dets «arbeidsfunksjon». 

===Fotoelektrisk ligning===
[[Fil:Photoelectric effect - stopping voltage diagram for zinc - English.svg|thumb|360px|Skjematisk fremstilling av hvordan stoppepotensialet for [[sink]] øker lineært med frekvensen når den er høyere enn for synlig lys.]]

Når et et elektron i mottar en energi ''h&nu;'' som er større enn bindingsenergien ''W'', vil differensen omsettes i kinetisk energi ''K'' til å bevege det ut av materialet. Den maksimale verdi den kan bli, er dermed

: <math> K_{max} = h\nu - W </math>

og kan eksperimentelt bestemmes ved måling av stoppepotensialet ''V''<sub>0</sub>. Det betyr at dette nå er uavhengig av lysintensiteten i overensstemmelse med eksperimentene, men avhenger eksplisitt av lysets frekvens. Denne ligningen til Einstein sier derfor at det
må vokse proporsjonalt med frekvensen ''&nu;&thinsp;'' til lyset. Dermed forklarer den ikke bare målingene til Lenard som viste at det økte med frekvensen, men forutsier også at økningen må være [[lineær]] og gitt ved Plancks konstant. 

I tillegg sier ligningen at frekvensen må være større enn en minimal verdi ''&nu;''<sub>0</sub> = ''W''&thinsp;/''h&thinsp;'' da stoppepotensialet må være positivt. På denne måten forklarte Einstein de viktigste egenskapene ved den fotoelektriske effekten.<ref name = ER/>

Selv om denne beskrivelse var i overenstemmelse med hva som var kjent fra eksperiment, vakte den de første årene liten interesse på grunn av dens radikale antagelser. Til og med Planck var ikke villig til å akseptere at energien til den elektromagnetiske strålingen kunne opptre på denne måten. Da han syv år senere var med å anbefale myndighetene i [[Preussen]] til å ansette Einstein ved [[Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft]] i Berlin, beklaget han at Einstein hadde kommet med denne forklaringen av den fotoelektriske effekten.<ref name = Jammer> M. Jammer, ''The Conceptual Development of Quantum Mechanics'', McGraw-Hill, New York (1966). ISBN 0-07-032-275-9. </ref>

==Millikans verifikasjon==

[[Fil:Millikan photoelectric experiment 1906.jpg|left|thumb|400px|Millikans bestemmelse av Planks konstant fra målinger i 1916.<ref name = Millikan/>]]

Ved bruk av ultraviolett lys med veldefinierte frekvenser klarte [[Robert Millikan]] i en lengre serie med eksperimenter å bekrefte at ligningen til Einstein var korrekt. Han fant derav også en verdi av Plancks konstant ''h&thinsp;'' som med en usikkerhet på under én prosent var i overensstemmelse med verdien som allerede var funnet fra egenskaper til [[varmestråling]]en.<ref name = Millikan>R.A.  Millikan, [http://www.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Millikan_1916_2.pdf ''A direct photoelectric determination of Planck's h''] {{Wayback|url=http://www.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Millikan_1916_2.pdf |date=20230522223835 }}, Physical Review '''7''' (3), 355-388 (1916).</ref>

Millikan understreket også at arbeidsfunksjonen ''W&thinsp;'' som inngår i Einsteins forklaring, ikke kan settes lik med arbeidsfunksjonen ''W<sub>K</sub>&thinsp;'' for elektronene i katoden, men er lik med ''W<sub>A</sub>&thinsp;'' for materialet i anoden. Det skyldes at disse to er koblet sammen ved den ytre kretsen slik at det dermed oppstår en ekstra [[kontaktspenning]] ''W<sub>A</sub>&thinsp;'' - ''W<sub>K</sub>&thinsp;'' som må inkluderes i ligningen.

Selv om Millikan dermed hadde vist at ligningen til Einstein var korrekt, tvilte han likevel på at utledningen basert på fotoner kunne være riktig. Han mente i stedet at Maxwells teori for elektromagnetiske bølger muligens måtte modifiseres. Dette kom også tydelig frem i hans foredrag ved mottagelsen av nobelprisen han mottok for dette arbeidet i 1923.<ref name = Millikan-nobel>R.A. Millikan, [https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/millikan-lecture.pdf ''The electron and the light-quant from the experimental point of view''], Nobel prize lecture (1924).</ref>

Dette var omtrent på samme tid som [[Compton-effekt]]en ble eksperimentelt påvist. Etter den tid forsvant stort sett den siste tvil om fotonets eksistens. Ikke bare hadde det en energi {{nowrap|''E {{=}} h&nu;''}}, men Einstein hadde i mellomtiden også vist at det har en impuls {{nowrap|''p'' {{=}} ''h&thinsp;''/''&lambda;''}} hvor {{nowrap|''&lambda;'' {{=}} ''c''&thinsp;/''&nu;&thinsp;''}} er dets [[bølgelengde]]. Det er derfor en fullverdig partikkel, men må beskrives [[kvantemekanikk|kvantemekanisk]].

==Se også==
* [[Fotovoltaisk effekt]]

==Referanser==
<references />

==Eksterne lenker==

* M. Fowler, [https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/photoelectric_effect.html ''The Photoelectric Effect''], University of Virginia, historisk fremstilling
* ChemLibreTexts, [https://chem.libretexts.org/Courses/University_of_California_Davis/UCD_Chem_107B%3A_Physical_Chemistry_for_Life_Scientists/Chapters/4%3A_Quantum_Theory/4.03%3A_The_Photoelectric_Effect ''The Photoelectric Effect''], fysisk beskrivelse.
*Kathy, [https://www.youtube.com/watch?v=4ZQF0eBh794&t=279s ''Photoelectric Effect History: A Battle of Einstein vs. Lenard''], YouTube-video

{{Autoritetsdata}}

[[Kategori:Kvantemekanikk]]
[[Kategori:Elektrisitet]]
[[Kategori:Energiomforming]]