Fotoelektrický jev

Fotoelektrický jev je děj, při kterém světlo dopadne na kov a způsobí, že z něj vyskočí elektrony. Tyto elektrony pak můžeme zachytit a použít například k výrobě elektřiny.

Elektrony tvoří nedílnou součást atomů. V kovech se pohybují volně, a proto může světlo – pokud má dostatek energie – tyto elektrony „vystřelit“ ven.

Jak to funguje?

1. Světlo je vlastně proud fotonů – malých balíčků energie.
2. Když foton narazí na povrch kovu, předá svou energii elektronu.
3. Pokud je energie dostatečně silná, elektron se uvolní z kovu a odletí pryč.
4. Tento elektron můžeme zachytit – například v obvodu – a využít.

Tohle chování světla pomohlo vědcům pochopit, že světlo není jen vlnění, ale chová se také jako částice (foton).

Záhadné chování

Fotoelektrický jev byl dlouho záhadou. Když vědci na kov svítili silnějším světlem, ale s nízkou energií (např. červené světlo), elektrony nevyskakovaly. Ale když použili světlo s vyšší energií (např. fialové nebo ultrafialové), elektrony vyskočily hned – i při slabém světle.

Tento jev správně vysvětlil až Albert Einstein. Ukázal, že rozhodující není síla světla, ale energie fotonu. Za toto vysvětlení dostal v roce 1921 Nobelovu cenu za fyziku – a ne za teorii relativity, jak si mnoho lidí myslí!

Kde se fotoelektrický jev využívá?

• Solární panely – mění sluneční světlo na elektřinu.
• Fotobuňky – otevírají dveře v obchodech nebo spínají světlo.
• Detektory světla – v mobilních telefonech nebo automatickém osvětlení.
• Astronomie – vědci používají fotoelektrické jevy k měření světla hvězd.

Fotoelektrický jev – shrnutí

Každý kov potřebuje jinou „energii světla“ (jinou vlnovou délku), aby z něj mohl být elektron uvolněn. Modré a fialové světlo mají větší energii než červené. Proto může modré světlo způsobit fotoelektrický jev, zatímco červené často ne. Díky tomuto jevu víme, že světlo není jen vlna, ale má i částicovou povahu.

Matematika fotoelektrického jevu

I když to zní složitě, matematika fotoelektrického jevu je vlastně velmi elegantní. Pomáhá nám vypočítat, kolik energie má foton a co se s touto energií stane, když dopadne na kov.

Základní rovnice (Einsteinova rovnice)

Einstein popsal fotoelektrický jev pomocí jednoduchého vzorce:

a zároveň:

• E_f – energie fotonu (částice světla),
• ℎ – Planckova konstanta (malé číslo, které určuje velikost fotonové energie),
• 𝑓- je frekvence světla (čím vyšší frekvence, tím „energičtější“ světlo – např. fialové),
• 𝑊 – výstupní práce – energie potřebná k uvolnění elektronu z kovu,
• E_k – kinetická energie elektronu, tedy kolik energie mu „zbyde“ na pohyb poté, co vyskočí z kovu.

Příklad pro představu

Představ si, že foton je jako kopanec do míče (elektronu):

– Některé míče (elektrony) jsou těžší a jsou přilepené (v kovu pevněji drží).
– Aby ses jich zbavil, musíš kopnout dost silně (foton s dostatečnou energií).
– Když kopneš málo (červeným světlem), míč se ani nepohne.
– Když kopneš dost silně (modrým nebo fialovým světlem), míč odletí – a čím silnější kop, tím rychleji!

Zjednodušené shrnutí:

– Silný foton (vysoká frekvence) = schopný uvolnit elektron.
– Slabý foton (nízká frekvence) = nestačí, ani když je jich hodně.
– Zbytek energie po uvolnění se mění na pohyb elektronu.

Simulace online