Efektu Fotoelektrikoa: Fisika Klasikotik Kuantikora

Fisika Klasikoa

Teoria klasikoaren arabera, argiaren intentsitatea (energia azalera-unitateko) zenbat eta handiagoa izan, orduan eta elektroi gehiago kanporatuko lirateke, eta esposizio-denborak ere efektu bera izango luke. Baina esperientziak kontrakoa frogatu zuen. Esperientzia horietako emaitzak aztertzean, fisika klasikoaren bidez azaldu ezin diren hiru gertaera agertu ziren:

1. Emisioa edo igorpena f maiztasuna minimo bat baino handiagoa denean soilik gertatzen da; maiztasun minimo hori metal bakoitzaren ezaugarri propioa da eta atari-maiztasuna deritzo, f_u. Hau da, nahiz eta intentsitatea handia izan, gerta daiteke elektroirik ez kanporatzea, eta intentsitate txikiago batekin, aldiz, bai. Teoria klasikoaren arabera, argiaren intentsitatea nahikoa izanez gero, fenomeno hori gertatu beharko litzateke, edozein dela ere maiztasuna, intentsitatearekin beti lor baitaiteke nahikoa energia.
2. Argi erasotzailearen f maiztasuna, f_u atari-maiztasuna baino handiagoa bada (f > f_u), igorritako elektroien kopurua argi erasotzailearen intentsitatearen proportzionala da, teoria klasikoarekin bat eginez. Baina, aldiz, elektroien energia zinetiko maximoa aztertzean, ikusi zen honek ez duela zerikusirik argiaren intentsitatearekin, eta fisika klasikoaren arabera, lortutako energia zinetikoa igorritako intentsitatearen araberakoa izan beharko luke.
3. Ezin izan da inoiz atzerapen-denborarik neurtu metalaren argiztapenaren eta fotoelektroien igorpenaren artean. Teoria klasikoaren arabera, berriz, argiaren intentsitatea oso ahula bada, elektroiek nahikoa energia lortu arteko atzerapena egon beharko litzateke, argiak erasotzen duen aldiunearen eta fotoelektroien igorpen-aldiunearen artean.

Laburbilduz, teoria klasikoaren arabera, argiaren intentsitatearen eta esposizio-denboraren arabera azaldu beharko litzateke efektu hori, baina esperientziak kontrakoa frogatu zuen.

Einsteinen Teoria Kuantikoa

Hori guztia ikusita, Einsteinek zalantzan jarri zuen teoria klasikoa eta proposamen berri bat egin zuen. Ordurako, Planck-en teoria ezaguna zen: kaxa beltzaren erradiazioa azaltzeko, kaxako paretetako atomoek bibrazio-maiztasunaren proportzionala den energia-kuantoak igortzen dituztela (E = hf). Einsteinek proposatu zuen edozein iturri irradiatzailek igorritako energia ere kuantizatuta dagoela, fotoi izeneko paketetan hain zuzen. Einsteinek efektu fotoelektrikoa azaltzeko honako hipotesi hauek egin zituen:

1. Erradiazio bateko fotoi bakoitzaren energia uhinaren maiztasunarekin dago erlazionatuta. Planck-en teorian oinarrituta, fotoi bakoitzaren energia honakoa da: E = h·f, non h den Planck-en konstantea eta f maiztasuna.
2. Fotoelektroi bakoitzak, materialaren eta horren barnean duen energia-mailaren arabera, lotura-energia bat izango du, eta energia-kantitate hori beharko du lotura-energia hori gainditu eta horrela xaflatik kanpora ateratzeko. Material batetik elektroi bat ateratzeko behar den energia minimoari erauzketa-lana edo lan-funtzioa deritzo, W₀.
3. Fotoelektroiek energia xurgatzean, fotoiaren energia osoa xurgatuko dute, kuantu osoa, mailaz aldatzeko nahikoa bada. Ez modu jarraian pilatuz.
4. Kanporatutako fotoelektroien energia zinetikoa xurgatu duten energia (hf) eta ateratzeko egin behar duten lanaren arteko kenketatik lortuko da: E_z = hf - W.

Hipotesi hauen bidez, teoria kuantikoak azal ditzake efektu fotoelektrikoan agertzen diren fenomenoak, eta teoria klasikoak azal ezin zituenak, horrela:

Azalpen Kuantikoak

1. Elektroi bat erauzteko behar den energia minimoa W₀ denez, fotoiak energia hori izan behar du gutxienez. Fotoiaren energia maiztasunari proportzionala denez, esan genezake elektroi bat erauzteko maiztasun minimo bat behar dela gutxienez, eta hori materialaren ezaugarria izango da. Maiztasun horri atari-maiztasuna deritzo, f_u, eta hori baino maiztasun txikiagoa duten fotoiek ez dute inoiz elektroi bat erauziko material horretatik, denbora luzean arituta ere.
2. Kanporatutako fotoelektroien energia zinetikoa jaso duten fotoiaren araberakoa izango da. Intentsitatea aterako diren fotoelektroien kopuruaren proportzionala izango da, baina ez haietako bakoitzak duen energia zinetikoarena.
3. Elektroiak erauzia izateko behar duen energia kolpe batez, kuantu batez, hartuko du; beraz, ez da inolako atzerapenik egongo energia jaso eta azaletik ateratzearen artean. Aterako da ala ez, baina ateratzekotan, berehalakoan.

Azalpen hauek oso onartuak ez baziren ere, egiaztatuko zituzten esperientziak hamar bat urte beranduago burutu ziren (Millikanek frenatze-potentziala maiztasunaren proportzionala zela neurtu zuen), eta orduan geratu zen frogatuta Einsteinen ekuazio fotoelektrikoa zuzena zela, eta efektu fotoelektrikoan agertzen den k konstantearen balioa Planckek proposatutakoa zela.