Efekt fotoelektryczny i Nagroda Nobla Einsteina z 1921 r

The efekt fotoelektryczny stanowiło poważne wyzwanie dla badań nad optyka w drugiej części XIX wieku. Zakwestionowało klasyczna teoria fal światła, która była dominującą teorią czasu. To rozwiązanie tego dylematu fizyki sprawiło, że Einstein zyskał na znaczeniu w społeczności fizyków, ostatecznie przyznając mu Nagrodę Nobla z 1921 roku.

Annalen der Physik

Kiedy źródło światła (lub, bardziej ogólnie, promieniowanie elektromagnetyczne) pada na metalową powierzchnię, powierzchnia może emitować elektrony. Elektrony emitowane w ten sposób są nazywane fotoelektrony (chociaż wciąż są to tylko elektrony). Jest to przedstawione na obrazku po prawej stronie.

Podając do kolektora ujemny potencjał napięcia (czarna skrzynka na zdjęciu), elektrony potrzebują więcej energii do ukończenia podróży i zainicjowania prądu. Punkt, w którym żadne elektrony nie docierają do kolektora, nazywa się potencjał zatrzymania V_si można go wykorzystać do określenia maksymalnej energii kinetycznej

K._max = eV_s

Funkcja Iwork phiPhi

Z tego klasycznego wyjaśnienia wynikają trzy główne prognozy:

1. Intensywność promieniowania powinna być proporcjonalna do uzyskanej maksymalnej energii kinetycznej.
2. Efekt fotoelektryczny powinien wystąpić w przypadku dowolnego światła, niezależnie od częstotliwości i długości fali.
3. Pomiędzy kontaktem promieniowania z metalem a początkowym uwolnieniem fotoelektronów powinno nastąpić opóźnienie rzędu sekund.

1. Intensywność źródła światła nie miała wpływu na maksymalną energię kinetyczną fotoelektronów.
2. Poniżej pewnej częstotliwości w ogóle nie występuje efekt fotoelektryczny.
3. Nie ma znaczącego opóźnienia (mniej niż 10^-9 s) między aktywacją źródła światła a emisją pierwszych fotoelektronów.

Jak widać, te trzy wyniki są dokładnym przeciwieństwem prognoz teorii fal. Nie tylko to, ale wszystkie trzy są całkowicie sprzeczne z intuicją. Dlaczego światło o niskiej częstotliwości nie wyzwalałoby efektu fotoelektrycznego, skoro nadal przenosi energię? Jak fotoelektrony uwalniają się tak szybko? I, być może, co najciekawsze, dlaczego dodanie większej intensywności nie powoduje uwolnienia bardziej energetycznych elektronów? Dlaczego teoria fal tak bardzo zawodzi w tym przypadku, skoro działa tak dobrze w tak wielu innych sytuacjach

Albert Einstein Annalen der Physik

Opierając się na Max Planck„s promieniowanie ciała czarnego teorii Einstein zaproponował, że energia promieniowania nie jest w sposób ciągły dystrybuowana na froncie fali, ale zamiast tego jest zlokalizowana w małych wiązkach (zwanych później fotony). Energia fotonu byłaby powiązana z jego częstotliwością (ν), poprzez stałą proporcjonalności znaną jako Stała Plancka (h) lub naprzemiennie przy użyciu długości fali (λ) i prędkość światła (do):

mi = hν = hc / λ

lub równanie pędu: p = h / λ

νφ

Jeśli jednak jest nadmiar energii, poza nią φ, w fotonie, nadwyżka energii jest przekształcana w energię kinetyczną elektronu:

K._max = hν - φ

Maksymalna energia kinetyczna powstaje, gdy uwolnią się najmniej ściśle związane elektrony, ale co z najbardziej ściśle związanymi; Te, w których jest właśnie wystarczająco dużo energii w fotonie, aby go uwolnić, ale czy energia kinetyczna powoduje zero Oprawa K._max równa się zero dla tego częstotliwość graniczna (ν_do) otrzymujemy:

ν_do = φ / h

lub długość fali odcięcia: λ_do = hc / φ

Co najważniejsze, efekt fotoelektryczny i zainspirowana teoria fotonów zmiażdżyły klasyczną falową teorię światła. Chociaż nikt nie mógł zaprzeczyć, że światło zachowało się jak fala, po pierwszej pracy Einsteina nie można było zaprzeczyć, że była to również cząstka.