Wat is het foto-elektrisch effect?

Het foto-elektrisch effect is het verschijnsel dat een foton een elektron kan losmaken uit een metaal.

Als een bundel licht valt op een metalen plaatje kunnen er elektronen worden losgemaakt uit het metaal. Dit blijkt alleen mogelijk te zijn als de fotonen een bepaalde minimale energie hebben. Deze minimale energie die een foton dus moet hebben om een elektron los te kunnen maken, noemen we de uittree-energie. Voor de uittree-energie E_U geldt:

E_U = h · f_grens

Hierin is f_grens de zogenoemde grensfrequentie: de frequentie die een foton minstens moet bezitten om een elektron uit een metaal vrij te maken. In Binas-tabel 24 of ScienceData-tabel 5.4 staan de uittree-energie en de grensfrequentie van een groot aantal metalen weergegeven.

Als een foton een plaatje van een bepaald metaal raakt, zijn er twee mogelijkheden:

de energie van het foton is lager dan de uittree-energie (E_foton < E_U): er worden geen elektronen vrijgemaakt
de energie van het foton is gelijk aan of groter dan de uittree-energie (E_foton ≥ E_U): er worden elektronen uit het metaal vrijgemaakt

(links) Een foton heeft onvoldoende energie: er wordt geen elektron losgemaakt.
(rechts) Een foton heeft voldoende energie: de uittree-energie wordt overwonnen en een elektron wordt losgemaakt. Het overschot aan energie van het foton wordt als kinetische energie aan het elektron meegegeven.

In het tweede geval zullen de elektronen met een bepaalde snelheid (en dus kinetische energie) vrijkomen van het metaal. Voor de maximale kinetische energie die de elektronen hierbij krijgen geldt:

E_K,max = E_foton − E_U

met E_K,max = \( \large \frac12 \)mv² en E_foton = h · f

Let op: één foton kan slechts één elektron losmaken uit het metaal.

Meetopstelling

Onderzoek aan het foto-elektrisch effect wordt vaak uitgevoerd met de onderstaande meetopstelling bestaande uit een schakeling met een spanningsbron, enkele meters en een fotocel. Een fotocel is een vacuüm gezogen buisje met daarin een kathode K (een plaatje gemaakt van het metaal dat onderzocht moet worden) en een anode A.

Het plaatje metaal kan met licht worden bestraald. Indien de fotonen voldoende energie hebben, zullen er elektronen worden vrijgemaakt. Deze vrijgemaakte elektronen worden door de anode opgevangen. Hierdoor gaat er een stroom lopen.

Door veranderingen aan de spanningsbron kunnen de losgemaakte elektronen vervolgens worden versneld of vertraagd. De spanning die nodig is om de losgemaakte elektronen zodanig te vertragen tot een snelheid van 0 m/s (de elektronen bereiken de anode niet meer; er loopt dus geen stroom meer), noemen we de remspanning U_rem.

Er geldt:

E_K,max = | e · U_rem |

met e het elementair ladingsquantum (zie Binas-tabel 7A of ScienceData-tabel 1.4)
e = 1,6022·10⁻¹⁹ C