Efekt fotoelektryczny

Wikimedia Commons

The efekt fotoelektryczny stanowił znaczne wyzwanie dla badaniaoptykaw drugiej połowie XIX wieku. To zakwestionowało klasyczna teoria fal światła, które było dominującą teorią tamtych czasów. To rozwiązanie tego dylematu fizyki wywindowało Einsteina na czołową pozycję w środowisku fizyków, ostatecznie przynosząc mu Nagrodę Nobla w 1921 roku.

Co to jest efekt fotoelektryczny?

Roczniki Fizyki

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

Konfigurowanie efektu fotoelektrycznego

Podając ujemny potencjał napięcia (czarna skrzynka na rysunku) do kolektora, elektrony potrzebują więcej energii, aby zakończyć podróż i zainicjować prąd. Punkt, w którym żadne elektrony nie docierają do kolektora, nazywa się potencjał zatrzymania V_s i może być użyty do określenia maksymalnej energii kinetycznej K_maks elektronów (które mają ładunek elektroniczny) oraz ) za pomocą następującego równania:

K_maks = eV_s

Wyjaśnienie klasycznej fali

Funkcja pracy fiPhi

Z tego klasycznego wyjaśnienia pochodzą trzy główne przewidywania:

1. Intensywność promieniowania powinna być proporcjonalna do powstałej maksymalnej energii kinetycznej.
2. Efekt fotoelektryczny powinien wystąpić dla każdego światła, niezależnie od częstotliwości czy długości fali.
3. Pomiędzy kontaktem promieniowania z metalem a początkowym uwolnieniem fotoelektronów powinno wystąpić opóźnienie rzędu kilku sekund.

Wynik eksperymentalny

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

Jak widać, te trzy wyniki są dokładnym przeciwieństwem przewidywań teorii falowej. Nie tylko to, ale wszystkie trzy są całkowicie sprzeczne z intuicją. Dlaczego światło o niskiej częstotliwości miałoby nie wywoływać efektu fotoelektrycznego, skoro nadal przenosi energię? Jak fotoelektrony uwalniają się tak szybko? I, co być może najciekawsze, dlaczego zwiększenie intensywności nie skutkuje bardziej energetycznymi uwolnieniami elektronów? Dlaczego teoria falowa w tym przypadku tak całkowicie zawodzi, skoro tak dobrze sprawdza się w tak wielu innych sytuacjach?

Cudowny rok Einsteina

Alberta Einsteina Roczniki Fizyki

Opierając się na Max Planck 's promieniowanie ciała doskonale czarnego teorii, Einstein zaproponował, że energia promieniowania nie jest w sposób ciągły rozłożona na froncie fali, ale zamiast tego jest zlokalizowana w małych wiązkach (później nazwanych fotony ). Energia fotonu byłaby powiązana z jego częstotliwością ( n ), poprzez stałą proporcjonalności znaną jako stała Plancka ( h ) lub alternatywnie, używając długości fali ( ja ) i prędkość światła ( c ):

ORAZ = hv = hc / ja

lub równanie pędu: p = h / ja

nf

Jeśli jednak jest nadmiar energii, poza Phi , w fotonie nadmiar energii jest zamieniany na energię kinetyczną elektronu:

K_maks = hv - Phi

Maksymalna energia kinetyczna wynika z uwolnienia najmniej ściśle związanych elektronów, ale co z najściślej związanymi; Te, w których jest tylko wystarczająca energia w fotonie, aby go wyrzucić, ale energia kinetyczna, która daje zero? Ustawienie K_maks równy zero dla tego częstotliwość odcięcia ( n_c ), otrzymujemy:

n_c = Phi / h

lub graniczna długość fali: ja_c = hc / Phi

Po Einsteinie

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