Valintakoe A: Tekniikka ja luonnontieteet
Mikä on valosähköinen ilmiö?
Valosähköinen ilmiö tarkoittaa, että metallipintaan osuva valo irrottaa siitä elektroneja. Yksi fotoni luovuttaa koko energiansa hf yhdelle elektronille. Elektroni irtoaa vain, jos fotonin energia on vähintään metallin irrotustyö W₀, ja ylimääräinen energia jää elektronin liike-energiaksi: hf = W₀ + Eₖ.
Kynnystaajuus f₀ = W₀/h on pienin taajuus, jolla elektroneja irtoaa. Jos valon taajuus on tätä pienempi, elektroneja ei irtoa lainkaan, vaikka valon intensiteetti olisi kuinka suuri. Intensiteetti lisää fotonien määrää, ei yksittäisen fotonin energiaa.
Ilmiö osoitti, että valo käyttäytyy hiukkasten eli fotonien tavoin. Aaltomallin mukaan voimakkaampi valo antaisi elektroneille enemmän energiaa, mutta mittausten mukaan irtoavien elektronien suurin liike-energia riippuu vain valon taajuudesta.
Energiat ilmoitetaan usein elektronivoltteina: 1 eV ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ J. Planckin vakio on h ≈ 6,626 · 10⁻³⁴ J · s. Kun elektronien suurin liike-energia piirretään taajuuden funktiona, saadaan suora, jonka kulmakerroin on h.
Kaava
hf = W₀ + Eₖ
kynnystaajuus f₀ = W₀ / h
fotonin energia E = hf = hc/λ
h ≈ 6,626 · 10⁻³⁴ J · s
Esimerkki
Metallin irrotustyö on 2,3 eV. Metalliin osuu valoa, jonka aallonpituus on 400 nm. Laske irtoavien elektronien suurin liike-energia elektronivoltteina, kun c = 3,00 · 10⁸ m/s.
- Fotonin energia: E = hc/λ = 6,626 · 10⁻³⁴ · 3,00 · 10⁸ / (400 · 10⁻⁹) J ≈ 4,97 · 10⁻¹⁹ J.
- Elektronivoltteina: 4,97 · 10⁻¹⁹ J / (1,602 · 10⁻¹⁹ J/eV) ≈ 3,10 eV.
- Energiatase: Eₖ = hf − W₀ = 3,10 eV − 2,3 eV ≈ 0,80 eV.
- Vastaus: noin 0,8 eV.
Tyypillinen virhe
Luullaan, että kirkkaampi valo irrottaa elektroneja myös kynnystaajuuden alapuolella. Elektroni saa energiansa yhdeltä fotonilta kerrallaan, joten ratkaisevaa on fotonin energia eli valon taajuus.
Valintakokeessa A
Moderni fysiikka kuuluu lukion fysiikkaan, johon valintakokeen A fysiikan ja kemian osio perustuu. Valosähköisen ilmiön laskuissa energian yksiköt, joulet ja elektronivoltit, kannattaa pitää erillään.
Missä kurssissa tämä opetetaan
SmartVK:n valintakoe A -kurssin luvussa 21: Aine, säteily ja ydinfysiikka. Katso kurssin sisältö.
Kysymyksiä
Mikä on irrotustyö?
Irrotustyö W₀ on pienin energia, joka tarvitaan irrottamaan elektroni metallin pinnalta. Se on metallille ominainen, ja se ilmoitetaan yleensä elektronivoltteina. Metallit, joilla irrotustyö on pieni, kuten alkalimetallit, irrottavat elektroneja jo näkyvän valon vaikutuksesta.
Mitä elektronivoltti tarkoittaa?
Elektronivoltti on energian yksikkö: energia, jonka elektroni saa, kun se kiihdytetään yhden voltin jännitteellä. 1 eV ≈ 1,602 · 10⁻¹⁹ J. Yksikkö on kätevä atomien ja fotonien energioille, jotka jouleina ovat hyvin pieniä lukuja.