Fotoelektrický jev

Šablona:Infobox Fyzikální jev Fotoelektrický jev (také fotoefekt) je fyzikální jev, při kterém jsou elektrony uvolňovány z látky (nejčastěji z povrchu kovu) v důsledku absorpce elektromagnetického záření (například světla nebo rentgenového záření). Uvolněné elektrony se nazývají fotoelektrony. Jev je jedním z klíčových důkazů kvantové povahy světla a částicově-vlnové duality.

Jeho teoretické vysvětlení, které v roce 1905 podal Albert Einstein, zásadně přispělo k rozvoji kvantové mechaniky. Právě za vysvětlení fotoelektrického jevu, a nikoliv za slavnější teorii relativity, obdržel Einstein v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku.

Rozlišují se dva hlavní typy jevu:

• Vnější fotoelektrický jev: Elektrony jsou po pohlcení fotonu zcela emitovány z povrchu látky do okolí.
• Vnitřní fotoelektrický jev: Uvolněné elektrony neopustí látku, ale přejdou do vodivostního pásu, čímž se zvýší její elektrická vodivost. Tento princip je základem polovodičových součástek, jako jsou fotodiody a fotovoltaické články.

⏳ Historie objevů

Objev a vysvětlení fotoelektrického jevu představují významný milník v historii fyziky.

• 1887: Německý fyzik Heinrich Hertz si jako první všiml, že jiskrový výboj mezi dvěma elektrodami přeskočí snadněji, pokud jsou elektrody osvětleny ultrafialovým zářením. Tento jev si však nedokázal vysvětlit.
• 1899: Joseph John Thomson identifikoval částice uvolňované z kovu při osvětlení jako elektrony, které sám objevil o dva roky dříve.
• 1902: Philipp Lenard, Hertzův asistent, provedl detailní experimenty, které ukázaly, že kinetická energie uvolněných elektronů nezávisí na intenzitě dopadajícího světla, ale na jeho frekvenci (barvě). To bylo v příkrém rozporu s tehdy přijímanou vlnovou teorií světla.
• 1905: Albert Einstein publikoval revoluční práci, ve které jev vysvětlil pomocí Planckovy kvantové hypotézy. Einstein předpokládal, že světlo není spojitá vlna, ale proud energetických balíčků, tzv. světelných kvant, později nazvaných fotony. Energie každého fotonu je přímo úměrná jeho frekvenci. Za toto vysvětlení mu byla v roce 1921 udělena Nobelova cena.
• 1916: Robert Millikan provedl sérii precizních experimentů, které měly původně Einsteinovu teorii vyvrátit, ale nakonec ji s vysokou přesností potvrdily a umožnily přesné změření Planckovy konstanty.

🔬 Princip jevu

Podle klasické elektrodynamiky by energie světelné vlny měla záviset na její intenzitě (amplitudě). Silnější světlo by tedy mělo předávat elektronům více energie, a ty by měly vylétávat s vyšší rychlostí. Experimenty však ukázaly pravý opak.

Einsteinovo vysvětlení stojí na několika klíčových předpokladech:

1. Světlo existuje ve formě kvant (fotonů): Energie světla není rozprostřena spojitě, ale je soustředěna do diskrétních balíčků – fotonů. Energie jednoho fotonu (E) závisí pouze na jeho frekvenci (f) podle vztahu:

   $E=hf$

   kde h je Planckova konstanta (přibližně 6,626 × 10⁻³⁴ J·s).

2. Interakce 1:1: Každý foton interaguje právě s jedním elektronem a předá mu celou svou energii.
3. Výstupní práce: K uvolnění elektronu z vazby v atomu a z povrchu materiálu je potřeba dodat minimální energii, nazývanou výstupní práce (W nebo A). Tato hodnota je charakteristickou vlastností daného materiálu.
4. Zákon zachování energie: Energie dopadajícího fotonu se rozdělí na výstupní práci a na kinetickou energii (E_k) uvolněného elektronu.

Einsteinova rovnice fotoelektrického jevu

Tento proces popisuje Einsteinova rovnice pro fotoelektrický jev:

$hf=W+E_{k_{max}}$

nebo vyjádřeno pro maximální kinetickou energii elektronu:

$E_{k_{max}}=hf-W$

Z rovnice vyplývají klíčové vlastnosti jevu:

• Existence mezní frekvence: K jevu dojde pouze tehdy, má-li dopadající foton dostatečnou energii, aby překonal výstupní práci (hf ≥ W). Minimální frekvence, při které k tomu dochází, se nazývá mezní (prahová) frekvence (f₀). Pro frekvence nižší než f₀ k emisi elektronů nedochází, bez ohledu na to, jak intenzivní je záření.
• Energie elektronů závisí na frekvenci: Energie (a tedy i rychlost) emitovaných elektronů nezávisí na intenzitě světla, ale lineárně roste s jeho frekvencí.
• Počet elektronů závisí na intenzitě: Vyšší intenzita světla znamená více dopadajících fotonů za sekundu, což vede k emisi většího počtu elektronů (většímu fotoproudu), ale jejich maximální energie zůstává stejná.
• Okamžitá emise: Jelikož je energie předávána v koncentrovaných balíčcích, k emisi elektronů dochází prakticky okamžitě po dopadu světla s dostatečnou frekvencí, bez pozorovatelné časové prodlevy.

🔑 Klíčové pojmy

• Výstupní práce (W): Minimální energie, kterou je nutné dodat k uvolnění elektronu z povrchu daného materiálu. Udává se v joulech (J) nebo častěji v elektronvoltech (eV). Například pro cesium je to jen 1,96 eV (stačí viditelné světlo), zatímco pro zinek 4,27 eV (je potřeba UV záření).
• Mezní frekvence (f₀): Minimální frekvence dopadajícího záření, při které nastává fotoelektrický jev. Lze ji vypočítat jako $f_0=W/h$.
• Kinetická energie elektronů (Eₖ): Energie, která elektronu zbude po vykonání výstupní práce. Určuje rychlost, s jakou elektron opouští materiál.
• Inverzní fotoelektrický jev: Opačný proces, kdy dopadající elektrony na materiál způsobují emisi fotonů. Tento princip se využívá například v rentgenových lampách.

⚙️ Aplikace a využití

Fotoelektrický jev (především vnitřní) je základem mnoha moderních technologií a jeho význam v roce 2025 stále roste, zejména v oblasti obnovitelných zdrojů a senzoriky.

• Fotovoltaické články (solární panely): Nejdůležitější aplikace, která přeměňuje sluneční energii přímo na elektrickou energii. Dopadající fotony generují v polovodičovém PN přechodu páry elektron-díra, čímž vzniká elektrické napětí.
• Obrazové snímače (CCD, CMOS): Snímače v digitálních fotoaparátech, kamerách a mobilních telefonech využívají vnitřní fotoelektrický jev. Každý pixel funguje jako miniaturní fotodetektor, který převádí množství dopadajícího světla na elektrický náboj.
• Fotonásobiče (PMT): Extrémně citlivé detektory schopné detekovat i jednotlivé fotony. Využívají vnější fotoelektrický jev. Uvolněný elektron je urychlován a naráží do série dynod, kde každý náraz vyvolá emisi dalších elektronů (sekundární emise), čímž se signál lavinovitě zesílí. Používají se ve vědeckých přístrojích, astronomii a lékařství (např. ve scintilačních detektorech).
• Fotodiody a fototranzistory: Polovodičové součástky používané jako světelné senzory v různých zařízeních, od dálkových ovladačů přes automatické dveře až po optické snímače v průmyslu.
• Spektroskopie: Různé analytické metody, jako je rentgenová fotoelektronová spektroskopie (XPS), využívají fotoelektrický jev k analýze chemického složení a elektronové struktury materiálů.

👶 Pro laiky: Světlo jako sprcha míčků

Představte si, že na střeše domu (povrch kovu) sedí řada kuželek (elektronů). Vy se je snažíte shodit dolů házením míčků (fotonů).

• Síla (intenzita) vs. energie (frekvence): Klasická fyzika si myslela, že je jedno, jaké míčky házíte, hlavně když jich hodíte hodně (vysoká intenzita světla). Pokud byste tedy na kuželky házeli spoustu lehkých pingpongových míčků (červené světlo, nízká frekvence), kuželka by se ani nehnula, i kdybyste jich házeli tisíce.

• Kvantový princip: Einstein přišel na to, že na shození kuželky potřebujete jeden jediný míček, ale musí být dostatečně těžký (mít dost energie). Můžete házet třeba jen jeden těžký tenisový míček (fialové světlo, vysoká frekvence) a kuželku shodíte okamžitě. Energie potřebná ke shození je "výstupní práce".

• Co se děje s energií navíc? Pokud hodíte ještě těžší bowlingovou koulí (UV záření), nejenže kuželku shodíte, ale poletí pryč obrovskou rychlostí. Energie, kterou měl míček navíc oproti té minimální potřebné ke shození, se přeměnila na rychlost (kinetickou energii) kuželky.

V kostce: Není důležité, kolik fotonů na kov dopadá, ale jakou energii má každý jednotlivý foton. Slabé modré světlo tak dokáže uvolnit elektrony, zatímco velmi silné červené světlo neudělá vůbec nic.

Zdroje

Fotoelektrický jev - Wikipedie Fotoelektrický jev – Fyzika na Vltavě Fotoelektrický jav – Wikipédia Fotoelektrický jev - WikiSkripta FYZ_4_Fotoelektrický jev Fotonásobič - Wikipedie The Nobel Prize in Physics 1921 - NobelPrize.org Understanding photomultiplier tubes Princip fotovoltaického článku - Elektrika.cz Technické využití fotoelektrického jevu - Eduportál Techmania ```