fotoelektrični efekt (fotoefekt, fotoelektrični učinak), izbijanje elektrona iz tvari s pomoću elektromagnetskih valova; u širem smislu, pojave koje su posljedica primarnih procesa apsorpcije fotona (fotovodljivost, fotonaponski efekt, fotoluminiscencija, fotokemijski efekt i dr.).
Povijest istraživanja
Heinrich Rudolf Hertz je, istražujući elektromagnetske valove, primijetio da neki metali obasjani svjetlošću otpuštaju električni naboj, tj. da se električni izboj među elektrodama pojavljuje pri znatno nižem električnom naponu ako su obasjane ultraljubičastom svjetlošću (1887).
Njemački fizičar Wilhelm Halwachs (1859–1922) je električki izoliranu i negativno naelektriziranu pločicu od cinka spojio na elektroskop i promatrao što će se dogoditi kada je obasjana svjetlošću (1888). Otpuštanje električnoga naboja s pločice bilo je razmjerno svjetlosnoj jakosti, što je bio očekivani rezultat. Neočekivano i valnom teorijom elektromagnetskih valova neobjašnjivo bilo je da je samo svjetlost veće frekvencije, npr. ljubičasta, izazivala fotoelektrični efekt, a svjetlost manje frekvencije, npr. crvena, nije, jer u valnoj teoriji energija valova ovisi o amplitudi, a ne o frekvenciji valova.
Philipp Lenard pokazao je pokusima s katodnim cijevima da su čestice izbačene iz metala elektroni (1899). Otkrio je da za svaki metal postoji granična frekvencija ispod koje nema fotoelektričnoga efekta, ma kako jak bio izvor svjetlosti, i da fotoelektrični efekt započinje u nemjerljivo kratkom vremenu nakon obasjavanja uzorka svjetlošću, tj. trenutačno (1902).
Albert Einstein teorijski je objasnio fotoelektrični efekt (1905). Problem neslaganja rezultata pokusa i tadašnje teorije riješio je poopćavanjem Planckove hipoteze o emisiji i apsorpciji svjetlosti u energijskim kvantima: svjetlost je shvaćena kao čestica, poslije nazvana foton, koja se giba brzinom svjetlosti i ima energiju ovisnu o frekvenciji E = hν, gdje je h Planckova konstanta a ν frekvencija svjetlosti. Kad slobodni elektron na površini obasjanoga metala apsorbira foton, preuzima njegovu energiju. Dio energije može potrošiti na svladavanje električne sile kojom ga privlače ioni metala, tj. na izlazni rad iz metala W, a preostali dio mu ostaje kao kinetička energija Ek, dakle: hν = W + Ek.
Robert Andrews Millikan je 1914. odredio maksimalnu kinetičku energiju elektrona izbačenih iz katode tako što je postupnim povećavanjem negativnoga električnoga napona na anodi smanjivao fotoelektričnu struju, a maksimalna kinetička energija izbačenih elektrona dobivena je kao umnožak električnoga naboja elektrona i zaustavnoga napona (najmanji električni napon između katode i anode koji zaustavlja fotoelektričnu struju, tj. sprječava i najbrže elektrone da dosegnu drugu elektrodu). Pokus je pokazao da maksimalna kinetička energija izbačenih elektrona ne ovisi o svjetlosnoj jakosti, već o frekvenciji svjetlosti i time potvrdio Einsteinovu teoriju.
Vrste fotoelektričnoga efekta
Vanjski fotoelektrični efekt proces je izbacivanja elektrona iz atoma, molekula, metala ili drugih sustava. U tom je procesu foton potpuno apsorbiran, a njegova energija utrošena na izlazni rad i na kinetičku energiju elektrona.
U Comptonovu efektu foton u sudaru predaje dio energije elektronu i odlazi kao sekundarni foton manje energije.
Unutarnji fotoelektrični efekt pojava je pri kojoj se obasjavanjem nekih tvari, najčešće poluvodiča, povećava njihova električna vodljivost jer elektroni pogođeni fotonom prelaze iz valentne vrpce u vodljivu vrpcu.
Fotovodljivost je smanjenje električnoga otpora izolatora ili poluvodiča kada su obasjani svjetlošću. Primjenjuje se za mjerenje osvjetljenja mijenjanjem električnoga otpora u fotootpornicima, u fotodiodama, fototranzistorima, fotodetektorima i dr.
Demberov efekt je fotoelektrični efekt u kristalima kada se apsorpcijom svjetlosti u kristalu mijenja koncentracija slobodnih elektrona uzduž puta svjetlosne zrake. Becquerelov efekt je fotoelektrični efekt kod osvijetljenih elektroda uronjenih u elektrolit.
Fotonaponski (fotovoltni) efekt proces je transformacije energije fotona (Sunčeve energije) u električnu energiju. Kada se u prijelaznom području dviju sredina (metal – poluvodič, metal – elektrolit, n poluvodič – p poluvodič) apsorbiraju fotoni, elektroni budu prebačeni u više energijsko stanje ili oslobođeni iz matičnog atoma pa se taj višak energije dobiva u obliku električne struje (fotoćelija, fotoelement itd.).
