Het foto-elektrisch effect

Wanneer twee geleidende platen — bijvoorbeeld in een vacuümbuis – via een gelijkspanningsbron verbonden zijn, zal één van de twee positief, de andere negatief geladen zijn.

Fotoelektrisch-effectValt er licht op de negatieve plaat, dan kunnen er elektronen worden uitgezonden, waardoor er een stroom gaat lopen in het circuit.  Dit gebeurt echter niet als het invallende licht een te hoge golflengte heeft, ook al is de lichtsterkte nog zo groot. Dit noemt men het foto-elektrisch effect. Het fenomeen werd ontdekt door Heinrich Hertz in 1887, tijdens zijn experimenten met elektromagnetische golven. Door een metaal te bestralen met licht van gepaste golflengte, kon er inderdaad een elektrische stroom opgewekt worden. Later zou Philipp Lenard een verband zien tussen de golflengte  van de gebruikte straling en de grootte van de opgewekte stroom (evenredig met het aantal uitgestoten elektronen).

Fig. Rode lichtstralen hebben geen effect (te lage energie). Groene en blauwe wel/

Rode lichtstralen hebben geen effect (te lage energie). Groene en blauwe wel.

Nauwkeurig onderzoeking aan het einde van de negentiende eeuw wees uit dat het foto-elektrisch effect bij meerdere materialen optrad – maar alleen als de golflengte kort genoeg was.

Het foto-elektrisch effect wordt waargenomen beneden een drempelwaarde voor de golflengte die kenmerkend is voor het betreffende materiaal. Vooral het feit dat langere golflengten geen enkel effect hadden, ook al was de lichtbundel zeer intensief, stelde de wetenschappers voor een raadsel. In de gedachtegang van de toenmalige fysici was licht een golf en was er enkel een verband mogelijk met de intensiteit van de straling, maar niet met de golflengte ervan.

Albert Einstein kwam uiteindelijk met de verklaring in 1905. Verderbouwend op de ideeën van Planck  stelde hij  dat licht bestaat uit deeltjes en dat de energie van zo’n deeltje recht evenredig is met de frequentie van het licht. Er is een zekere minimum aan energie nodig (afhankelijk van de materiaalsoort) om een elektron uit de oppervlakte van de metalenplaat of een ander vast lichaam los te maken (werkfunctie of uittrede-arbeid).  Als de energie van een foton groter is dan deze drempelwaarde, kan het elektron worden uitgezonden. De volgende formule vertaalt deze uitleg:

Ekin   =   h ν  –   W

Ekin … maximale kinetische energie van een uitgezonden elektron
h ….. .constante van Planck (6,626 · 10-34 Js)
ν….. ..frequentie   (de golflengte  λ = c/ ν waar c de lichtsnelheid is)
W …..werkfunctie .

Voor dit werk ontving Albert Einstein in 1921 de Nobelprijs voor de Natuurkunde. Het foto-elektrisch effect heeft aan de wieg gestaan van het besef van de dualiteit van golven en deeltjes. Het foto-elektrisch effect wordt onder meer toegepast in fotocellen die gebruikt worden in bewegingsdetectoren, geluid in films en de rookdetector met licht. Het foto-elektrisch effect is eveneens het basisprincipe van zonnepanelen.