Hertz havaitsi, että kipinä siirtyy kahden varatun levyn välillä helpommin, kun toiseen levyyn säteilyttää valoa.
Valosähköisen ilmiön havaitsi ensimmäisen kerranHeinrich Hertz vuonna 1887.[3] Hän huomasi, että kipinä hyppää kahdensähköisesti varatun levyn välillä helpommin, kun toiseen levyyn säteilyttäävaloa.[4]
Kokeellisesti valosähköilmiöstä todettiin seuraavat seikat:
Ilmiö esiintyy vain, kun säteilyntaajuus on tietyn rajan yläpuolella; tämä raja on erimetalleilla eri suuri. Pienempitaajuinen säteily ei saa ilmiötä aikaan, olipa senintensiteetti kuinka suuri tahansa.[5]
Jos säteilyn intensiteetti kasvaa, mutta sen taajuus pidetään vakiona, metallista irtoaa enemmän elektroneja, mutta irronneet elektronit eivät saa suurempaaliike-energiaa, vaan se on kullakin taajuudella vakio.
Irronneiden elektronien liike-energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuden ja sen pienimmän taajuuden erotukseen, jolla valosähköilmiö esiintyy. Elektronien liike-energian ja tämän taajuuserotuksen suhde on siis vakio ja lisäksi kaikilla metalleilla sama.
Näiden koetulosten selittäminen osoittautui ongelmaksi.Klassisen teorian mukaan minkä tahansa taajuisen säteilyn olisi pitänyt irrottaa elektroneja, kunhan vain säteilyn intensiteetti on tarpeeksi suuri. Ei myöskään voitu selittää, miksi elektronien liike-energia riippuu säteilyn taajuudesta, mutta ei sen intensiteetistä.
Asia voitiin selittää vastakvanttiteorian avulla, ja ilmiö onkin tärkeä osoitus valon hiukkasluonteesta jaaalto-hiukkasdualismista. Tämän osoittiAlbert Einstein vuonna1905. Einstein sovelsi selityksessäänMax Planckin kehittämääkvanttiteoriaa. Planck oli todennut, ettälämpösäteily lähtee määräsuuruisina kvantteina ja että tällaisen kvantin energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen, mutta Einstein osoitti, että tämä säteilyn kvanttiluonne säilyy sen lähtemisen jälkeenkin ja että se myös absorboituu samansuuruisina kvantteina. Valosähköisessä ilmiössä energia välittyy yhden kvantin, fotonin kokoisina annoksina yksittäiselle elektronille. Elektroni ei siis voi kerätä irtoamiseen tarvitsemaansa energiaa useilta fotoneilta, vaan sen on saatava se yhtenä pakettina. Voidaan ajatella, että fotonit antavat elektroneille tietynsuuruisia iskuja; jos elektroni ei irtoa yhdellä tietynsuuruisella iskulla, niin ei se irtoa lainkaan kyseisen suuruisilla iskuilla, vaikka sitä kuinka iskettäisiin.
Einsteinin matemaattinen muotoilu ilmiölle on vuodelta1905, jolloin hän julkaisussaanUber einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt esitti, että sähkömagneettista säteilyä voisi kuvata tietynsuuruisina energiapaketteina, kvantteina (nyk. fotoni).[6] Valokvanttien idea oli ristiriidassaJames Maxwellin sähkömagneettista säteilyä kuvaavienyhtälöiden kanssa, ja sen kanssa että energia oletettiin jatkuvasti jakautuneeksi. Vielä sen jälkeen kun kokeet näyttivät Einsteinin teoriat tarkoiksi, ajatusta fotoneista ei yleisesti hyväksytty. Einsteinin kaava ennusti irrotettujen elektronien energian kasvavan lineaarisesti säteilyn taajuuden funktiona.Robert Millikan osoitti tämän todeksi1915.
Säteilykvantin elifotonin energian täytyy olla tarpeeksi suuri, että se voisi irrottaa atomista elektronin. Tällöin energiaa tarvitaan vähintään irrotustyön eli elektroninsidosenergian verran. Sidosenergia on ominainen kullekin metallille.
Jos fotonin aallonpituus on riittävän lyhyt ja siten sen energia on suurempi kuin elektronin sidosenergia (), loput fotonin energiasta muuttuu irronneen elektroninliike-energiaksi. Elektronin liike-energia on siis fotonin energian ja sidosenergian erotus,[8] ja se voidaan ilmaista muodossa
Tässä on irronneen elektroninmassa ja on sennopeus.Jos metalliin tulleen fotonin energia ja elektronien nopeus tunnetaan, esimerkiksi mittaamalla, voidaan yhtälöstä periaatteessa saada selville metallille ominainen irrotustyö.
Elektronit vuorovaikuttavat voimakkaasti atomien elektroniverhojen kanssa, joten syvemmältä pinnasta lähteneen elektronin saapuessa pinnalle sen liike-energia on saattanut pienentyä törmäysten johdosta. Siksi todellisuudessa havaitaan elektronien nopeusjakauma, jonka maksimiarvoa käyttämällä voidaan laskea metallin irrotustyö.
↑abChen, Sow-Hsin & Kotlarchyk, Michael: Interactions of Photons and Neutrons with Matter, s. 246. World Scientific, 2007. ISBN 9789810242145(englanniksi)
↑Iliadis, Christian: Nuclear Physics of Stars, s. 237. John Wiley & Sons, 2008. ISBN 9783527618767(englanniksi)
Einstein, Albert: Über einen die Erzeugung und Verwanlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. Annalen der Physik, 1905, 322. vsk, nro 8, s. 132–148. Artikkelin verkkoversio. (saksaksi)
