Kwantumfysica Foto-elektrisch effect

Omstreeks 1925 werd de theorie van de kwantumfysiica opgesteld. Veel verschijnselen op atomaire schaal die ontdekt waren konden niet meer verklaard worden met de klassieke wetten. Stoutmoedige natuurkundigen stelden ad hoc hypotheses op, die een betere beschrijving boden. Men beschouwde de energie niet meer als een continuum maar als een gekwantiseerde grootheid: de energie van deeltjes is op te vatten als een pakketjes energie. Dit artikel behandelt het foto-elektrisch effect.

Foto-elektrisch effect

Wanneer een metaal met UV-licht bestraald wordt, worden uit het metaal elektronen geëmiteerd; het foto-elektrosch effect. Twee aspecten van dit effect brachten de fysici rond 1900 in verwarring, omdat zij in strijd waren met de voorspellingen van de klassieke theorie. In de eerste plaats bleek deze emissie alleen op te treden wanneer de frequentie van de opvallende straling groter was dan een (voor elk metaal andere) kritische waarde μc. In de tweede plaats bleek dat de emissie een aanvang nam direct nadat de bestraling gestart was. Volgens de klassieke theorie zou overal aan het oppervlak van het metaal een gelijkmatige absorptie van de lichtgolven moeten optreden; door statistische schommelingen in de lokale energieverdeling zou pas enige tijd na aanvang van de bestraling zoveel energie aan een elektron overgedragen zijn, dat zijn binding met het metaal verbroken zou kunnen worden, waardoor het aan het metaal zou kunnen ontsnappen. Men zag geen verband met de frequentie; zo'n emissie zou altijd teweeggebracht kunnen worden als de intensiteit van de opvallende straling maar hoog genoeg was.

Einstein zag in 1905, dat dit afwijkend gedrag uitstekend verklaard zou kunnen worden, wanneer men aannam dat het stalingsveld zelf gekwantiseerd zou zijn. Met andere woorden: straling zou alleen maar energie met materie kunnen uitwisselen in diskrete hoeveelheden; voor straling met frequentie μ zouden deze hoeveelheden, de zogenaamde kwanta, uit pakketjes ter grootte van hμ moeten bestaan. De konstante h is de konstante van Planck (6,7 10E-34). Een elektron zou zo'n kwant direkt in zijn geheel absorberen. Deze hypothese verklaart direct het bestaan van een kritische frequentie:
Is μ groter dan de bindingsenerige (de uittreedenergie φ0), dan zal het elektron geëmitteerd worden; is ze kleiner dan is elektronenemissie uitgesloten. De kritische frequentie μv wordt dan gegeven door:

hμ = φ0

Is μ > μv dan wordt het deel van de energie van het kwant hv dat niet nodig is voor de verbreking van de binding in kinetische energie van het elektron omgezet:


Deze relatie kon experimenteel bevestigd worden. De hypothese stelt dat een elektron niet langzamerhand voldoende energie uit zijn omgeving opneemt om uiteindelijk te kunnen ontsnappen. Nee, het gebeurt in één keer door absorptie van één geheel lichtkwant. Er hoeft geen tijd te verlopen tussen de aanvang van de bestraling en de eerste emissie. Een dergelijke absorptie impliceert echter ook dat het lichtkwant binnen een zeer klein ruimtelijk gebiedje gelokaliseerd moet zijn, en niet gelijkmatig over het golffront verdeeld kan zijn. Dit betekent dat de lichtbundel beschouwd moet worden als een stroom van deeltjes met energie hμ, deeltjes die later fotonen genoemd zouden worden.

Compton effect

Compton bestudeerde in 1922 de verstrooing van zeer energetische em-straling ten gevolge van botsingen met elektronen. Hierbij bleek dat de verstrooide straling een andere golflengte had (λstrooi) dan de invallende straling (λinv). Het golflengteverschil bleek afhankelijk van de strooiingshoek φ.

λstrooi - λinv = C sin ² (φ/2)

Compton kon zijn experimenten alleen verklaren vanuit de door Einstein opgestelde hypothese: de straling bestaat uit fotonen met energie hμ en hier aan toe te voegen dat deze fotonen als massaloze deeltjes met een impuls p = hμ / c waren te beschouwen. Door nu de behoudswetten van energie en impuls toe te passen kon Compton de bovenstaande relatie af leiden, met C = 2h / mc.

Lees verder

• Kwantumfysica introductie
• Kwantumfysica het golfkarakter van materie
• Kwantumfysica Atoomspectra