Het foto-elektrisch effect en elektronen

Het foto-elektrisch effect is het verschijnsel dat elektronen vrij kunnen komen uit een atoom, wanneer er licht van een bepaalde golflengte op valt. Het effect is in 1887 door Heinrich Hertz ontdekt. Later in 1905 werd het effect pas verklaard, door niemand minder dan Albert Einstein. In dit artikel zal onder andere duidelijk worden wat het effect precies is, wat het effect veroorzaakt, en wat de gevolgen van het effect zijn.

Inhoud

• Een manier om het effect aan te tonen
• Verklaring
• Gevolgen van het foto-elektrisch effect

Een manier om het effect aan te tonen

Opstelling

Als twee geleidende (metalen) platen worden verbonden via een spanningsbron -zoals in figuur 1- zal een van de platen een positieve lading krijgen, en de ander een negatieve lading. Er zal geen stroom gaan lopen door het circuit omdat de platen niet met elkaar in contact staan, waardoor er geen elektronen van de plus- naar de minpool kunnen reizen.

Het effect van licht

Als er echter een lichtbundel op de negatieve plaat wordt geschenen, kan er plotseling wél een stroom gaan lopen door het circuit. Dit komt omdat er door het invallende licht elektronen vrijkomen van de negatieve plaat. Deze elektronen kunnen zich nu vrij bewegen, en reizen (door de aantrekkende kracht van de positief geladen plaat) vervolgens naar de andere plaat.

Lichtsterkte en frequentie

Dit effect treedt echter pas op als het licht een frequentie heeft boven een bepaalde waarde. Als de frequentie lager is dan deze waarde zullen er geen elektronen vrijkomen, hoe groot de lichtsterkte ook is. Men probeerde destijds de klassieke wetten van Maxwell van elektromagnetisme (die stelt dat licht bestaat uit golven) te gebruiken om het effect te verklaren, maar dit bleek niet mogelijk te zijn. Volgens deze wetten zou de energie van de ontsnappende elektronen af moeten hangen van de intensiteit van de lichtbundel, terwijl in praktijk juist de frequentie van het licht de bepalende factor is. De intensiteit van het licht bleek alleen effect te hebben op de hoeveelheid elektronen die per seconde vrijkomen.

Verklaring

Elektronen in een atoom

Een atoom bestaat uit een positief geladen kern waaromheen negatief geladen elektronen draaien. Een elektron kan niet op elke willekeurige afstand van de kern een baan volgen. Alleen bepaalde gebieden met bepaalde energieniveau's zijn toegestaan. Als een elektron naar een baan met een hoger energieniveau gaat, is daar energie voor nodig. Deze energie kan worden verkregen doordat een elektron een foton absorbeert. Het elektron gaat dan tijdelijk naar een hogere baan, waarna hij weer terugvalt naar de laagste (beschikbare) baan. Bij het terugvallen zendt het elektron weer een foton uit, om zo de energie weer kwijt te raken.

Ionisatie

Wanneer een elektron in een atoom een foton met een energie boven een bepaalde waarde (de uittree energie) absorbeert, zal deze het atoom verlaten. Dit komt omdat het elektron dan meer energie krijgt dan de energie van de hoogste elektronbaan. De hoeveelheid energie die overblijft wordt omgezet in kinetische energie; de snelheid waarmee het elektron het atoom verlaat.

Dit verklaart waarom de intensiteit van het invallende licht invloed heeft op het aantal elektronen dat de plaat per seconde verlaat. Een grotere intensiteit houdt namelijk in dat er meer fotonen worden uitgezonden, waardoor er meer elektronen worden vrijgemaakt. Ook verklaart dit waarom de frequentie van het invallende licht invloed heeft op de snelheid van de vrijkomende elektronen. Een grotere frequentie houdt namelijk in dat de uitgezonden fotonen een grotere energie hebben, waardoor er meer energie wordt omgezet in de kinetische energie van de elektronen.

Gevolgen van het foto-elektrisch effect

Ruimtevaartuigen

In de ruimte bevat zonlicht ultraviolette straling die normaal gesproken door de atmosfeer van de Aarde wordt geabsorbeerd. Deze energie van deze straling is hoger dan de uittree energie van veel atomen, waardoor er elektronen kunnen worden vrijgemaakt aan de buitenkant van ruimtevaartuigen. Hierdoor kan het gedeelte van het vaartuig dat is blootgesteld aan zonlicht een positieve lading krijgen, die kan oplopen tot wel tientallen volts. Dit kan een gevaar vormen wanneer de opgebouwde spanning zich ontlaad via de gevoelige apparatuur aan boort van het vaartuig.

Maanstof

Het ultraviolette licht van de zon kan ook op de Maan het foto-elektrisch effect veroorzaken. Kleine stofdeeltjes kunnen door dit licht elektronen kwijtraken, en langzaam een positieve lading krijgen. Als vervolgens meerdere stofdeeltjes positief zijn geladen, gaan ze elkaar af te stoten. Hierdoor ontstaat een verschijnsel dat elektromagnetische levitatie wordt genoemd: sommige stofdeeltjes zijn zó licht, dat de afstotende kracht groot genoeg is om ze te laten zweven. Er wordt zelfs verwacht dat de lichtste deeltjes kilometers hoog kunnen komen. Deze deeltjes zweven als een soort mist boven het Maanoppervlak waardoor objecten die ver weg zijn wazig kunnen lijken.