Ίδια ένταση φωτός σημαίνει ίδιο ρεύμα κόρου;

Μια μικρή «παγίδα» της σχολικής φυσικής

Στη σχολική φυσική συνηθίζουμε να λέμε ότι το ρεύμα κόρου στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο εξαρτάται από την ένταση της ακτινοβολίας. Όμως, όταν αρχίσουμε να κοιτάζουμε λίγο βαθύτερα τη φυσική πίσω από τις λέξεις, εμφανίζονται ορισμένα πολύ ενδιαφέροντα ερωτήματα.

«Δύο ακτινοβολίες έχουν ίδια ένταση φωτός. Θα προκαλέσουν απαραίτητα και το ίδιο ρεύμα κόρου;»

Η πρώτη σκέψη

Αν δύο ακτινοβολίες έχουν την ίδια ένταση, ίσως κάποιος σκεφτεί ότι μεταφέρουν και τον ίδιο αριθμό φωτονίων ανά δευτερόλεπτο. Αυτό όμως δεν είναι σωστό.

I = Nhf / (AΔt)

Η ένταση της ακτινοβολίας ισούται με την ενέργεια που μεταφέρουν τα φωτόνια ανά μονάδα επιφάνειας και ανά μονάδα χρόνου.

🔴

Μεγάλη συχνότητα

Κάθε φωτόνιο μεταφέρει μεγάλη ενέργεια. Άρα απαιτούνται λιγότερα φωτόνια για να διατηρηθεί η ίδια ένταση.

🔵

Μικρή συχνότητα

Κάθε φωτόνιο μεταφέρει μικρότερη ενέργεια. Άρα χρειαζόμαστε περισσότερα φωτόνια για την ίδια ένταση.

Τι θα περίμενε κανείς;

Στο απλό σχολικό μοντέλο, κάθε φωτόνιο που απορροφάται μπορεί να ελευθερώσει ένα ηλεκτρόνιο. Έτσι:

Περισσότερα φωτόνια → περισσότερα ηλεκτρόνια → μεγαλύτερο ρεύμα κόρου

Άρα, αν η ένταση παραμένει σταθερή:

η αύξηση της συχνότητας σημαίνει μεγαλύτερη ενέργεια ανά φωτόνιο,
οπότε χρειάζονται λιγότερα φωτόνια,
και επομένως θα περιμέναμε μικρότερο ρεύμα κόρου.

Όμως η πραγματική φυσική είναι πιο πλούσια…

Στα πραγματικά μέταλλα, τα πράγματα δεν είναι τόσο απλά. Η πιθανότητα να εξέλθει ένα ηλεκτρόνιο δεν είναι ίδια για όλες τις συχνότητες.

⚡ Η «κβαντική απόδοση»

Όσο αυξάνεται η ενέργεια των φωτονίων, αυξάνεται συχνά και η πιθανότητα να απελευθερωθούν ηλεκτρόνια από βαθύτερες περιοχές του μετάλλου.

Οι δύο αντίθετες τάσεις

📉

Τάση μείωσης

Για σταθερή ένταση, όσο αυξάνεται η συχνότητα (και άρα η ενέργεια κάθε φωτονίου), τόσο μειώνεται το πλήθος των φωτονίων που προσπίπτουν ανά δευτερόλεπτο.

📈

Τάση αύξησης

Μεγαλύτερη συχνότητα μπορεί να αυξήσει την πιθανότητα εξόδου ηλεκτρονίων.

Το τελικό συμπέρασμα

Η σχολική φυσική χρησιμοποιεί ένα απλοποιημένο μοντέλο, εξαιρετικά χρήσιμο για να κατανοήσουμε την ιδέα του Einstein:

hf = φ + K_max

Όμως, όταν περάσουμε από το ιδανικό μοντέλο στα πραγματικά μέταλλα, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο γίνεται πολύ πιο σύνθετο. Το ρεύμα κόρου δεν εξαρτάται μόνο από το πλήθος των φωτονίων, αλλά και από την πιθανότητα ένα φωτόνιο να οδηγήσει πράγματι στην έξοδο ενός ηλεκτρονίου.

✨ Η ουσία

«Ίδια ένταση φωτός» δεν σημαίνει απαραίτητα:

• ίδιο πλήθος φωτονίων
• ίδιο ρεύμα κόρου
• ίδια φυσική συμπεριφορά του μετάλλου

Ακολουθεί μια Άσκηση και μια Απάντηση