Prima lege a efectului fotoelectric extern

Daca se mareste fluxul radiatiei elecromagnetice incidente de doua ori fara sa se modifice frecventa (acest lucru se realizeaza pastrand filtru din fata ferestrei din cuart si micsorand de doua ori distanta dintre arc si fereastra) se constata o crestere corespunzatoare a intensitatii curentului electric de saturatie si o independenta de tensiunea de stopare(vezi graficul familiei de caracteristici), respectiv a energiei cinetice maxime de fluxul energetic al radiatiei electromagnetice incidente. Intensitatea curentului fotoelectric de saturatie este Is=n·e, unde n este numarul de fotoelectroni emisi de catod in unitate de timp, iar e este sarcina electrica a electronului( e = 1,6·10^-19 C ). Rezulta prima lege a efectului fotoelectric:
1.Pentru o frecventa data a radiatiei electromagnetice incidente energia cinetica maxima a fotoelectronilor emisi nu variaza, ci numai numarul lor este proportional cu fluxul energetic al radiatiei electromagnetice incidente.

     A doua lege a efectului fotoelectric extern
Pentru a putea reprezenta grafic energia cinetica maxima a fotoelectronilor in functie de frecventa trebuie iradiat catodul cu radiatii de diferite culori (folosind filtre diferite pentru a ridica caracteristici diferite), dar de flux energetic constant (distanta dintre arcul electric si fereastra din cuart este aceeasi pentru toate caracterisicile de frecvente diferite).

Forta electromagnetica

Circuite electrice
Se constata experimental ca efectul fotoelectic nu apare pentru frecvente mici sau lungimi de unda mari indiferent de valoarea tensiunii dintre placi. Folosind radiatii cu frecventa din ce in ce mai mare, din grafic se observa ca de la o anumita frecventa, numita frecventa de prag (ν₀₁, ν₀₂) dependenta de natura catodului apare efectul fotoelectric extern. Cu cat frecventa radiatiei incidente (ν > ν₀) este mai mare decat frecveta de prag cu atat tensiunea de stopare este mai mare in valoare absoluta, deci si Ecmax a fotoelectronilor este mai mare. Reprezentand grafic energia cinetica maxima a fotoelectronilor in functie de frecventa pentru materiale diferite [catod din litiu, respectiv catod din cupru - vezi figura2)] se obtin drepte paralele indiferent de natura catodului. Prin urmare, dependenta dintre cele doua marimi (energia cinetica maxima a fotoelectronilor si frecventa radiatiei incidente cu care este iradiat catodul), poate fi descrisa pentru toate substantele de o relatie asemanatoare cu ecuatia dreptei. (vezi figura), adica Ecmax trebuie sa fie o functie liniara de frecventa. Ecuatia dreptei se deduce din figura. Coeficientul unghiular sau panta dreptei este P = tg φ care are aceeasi valoare pentru toate materialele din care est confectionat catodul. Din triunghiul AMN
    tg φ = MN/AN = [Ecmax −( −n)]/ν
De unde
     Ecmax = Pν −n
sau
     eUs = Pν− n;
n reprezinta ordonata la origine. Pentru ν = 0 si Us = Uo (Uo este tensiunea de extractie ce depinde de natura catodului), relatia de mai sus devine:
eUo = −n
Panta dreptei P se afla facand Ecmax = 0, iar ν = ν₀ si se obtine
    o=Pν₀ − eUo
     eUo/νo = P
Inlocuind constantele P si n rezulta:
    Ecmax = eUo/νo (ν − eUo) = eUo/ν₀(ν −ν₀)
Valoarea medie a raportului eUo/ν₀ pentru diferite materiale are aproximativ aceeasi valoare egala cu valoarea constantei lui Plank (h = 6,625·10^-34 j·s)
eUo/ν₀ = h
Ecmax = hν − eUo
Ecmax = h(ν−ν₀)
hν = Ecmax+hν₀
Din aceste date se poate formula legea a doua a efectului fotoelectric extern:
Energia cinetica maxima a fotoelectronilor este direct proportionala cu frecventa radiatiei electromagnetice incidente si nu depinde de fluxul energetic
    Legea a treia si a patra a efectului fotoelectric extern
Daca frecventa radiatiei incidente este ν ≤ ν₀ efectul fotoelectric extern inceteaza iar pentru ν > ν₀ efectul fotoelectric apare.

Legea a treia:
Efectul fotoelectric se produce daca frecventa radiatiei incidente este egala sau mai mare decat o anumita frecventa ν_o numita pragul rosu al efectului fotoelectric extern.
Experimental s-a constatat ca intre momentul iradierii si momentul aparitiei efectului fotoelectric extern exista un interval de timp foarte scurt(de ordinul nanosecundelor).
    Legea a patra:
Efectul fotoelectric extern este practic instantaneu.
     Fotonul
     Cu toate ca Max Plank a introdus cuantificarea in procesele de emisie si absorbtie a radiatiei , el a continuat sa considere lumina ca o unda electromagnetica.Pentru prima data Einstein a emis ipoteza ca undele electromagnetice sunt formate dintr-un flux de cuante numite mai tarziu fotoni de catre Lewis.Fotonii sunt particule ale campului electromagnetic ce se caracterizeaza prin faptul ca in vid se misca numai cu viteza luminii si au o masa de miscare finita si constanta,iar masa de repaus este nula(m.=0).Spre deosebire de fotoni particulele de substanta se pot misca cu orice viteza fara sa atinga viteza luminii in vid .Masa de miscare a fotonilor este diferita de masa de repaus, deoarece masa de miscare se modifica cu viteza
m = m_o/√1 - v²/c²
Fotonul are o masa de miscare(m) care este legata de frecventa undelor electromagnetice prin relatia
ε=mc²
m=ε/c²=hν/c²
Fotonul fiind o particula in miscare este caracterizat si de impuls,
p=mc=hν/c=ε/c=h/λ
λ=c/ν
λ este lungimea de unda a fotonului . In procesul ciocnirii inelastice a fotonului cu suprafata unui solid acesta exercita o presiune care este determinata de forta medie cu care fotonul actioneaza in procesul ciocnirii asupra suprafetei de arie data,in directia normalei la aceasta suprafata.
P=F/S=[Δp/Δt]/S
Variatia impulsului in timpul absobtiei este
Δp=p − p_o=−p_o
- p este impulsul fotonului dupa ciocnire (p=0);
- p_o este impulsul initial al fotonului
Conform principiului al III-lea al dinamicii, asupra suprafetei corpului iradiat actioneaza o forta egala si de sens contrar, avand modulul
F=Δp/Δt=p/Δt=ε/cSΔt
Daca fotonul face parte dintr-un fascicul ce contine N fotoni, atunci energia fasciculului este
P=E/cSΔt=Nhν/cSΔt
Daca suprafata ciocnita este perfect reflectatoare, variatia de impuls a fotonului este
Δp= -p_o − p₀=−2p₀
Variatia de impuls a suprafetei este
Δp=2p₀=2ε/c
Presiunea exercitata de foton va fi
P=F/S=[Δp/Δt]/S=2ε/cSΔt
Daca in loc de un foton suprafata reflectatoare este iluminata de un fascicul de energie,
E=Nhν
atunci presiunea exercitata pe suprafata S in intervalul de timp Δt va avea forma
P=2E/cSΔt
Efectul presiunii luminii poate fi observat in cazul cozilor foarte difuze a cometelor. Fotonii proveniti de la Soare interactioneaza cu particulele ce alcatuiesc coada cometei si le accelereaza pe directie opusa Soarelui.