Den fotoelektriske effekten

Wikimedia Commons

De fotoelektrisk effekt utgjorde en betydelig utfordring for studiet avoptikki siste del av 1800-tallet. Det utfordret klassisk bølgeteori av lys, som var tidens rådende teori. Det var løsningen på dette fysikkdilemmaet som gjorde at Einstein ble fremtredende i fysikkmiljøet, og til slutt ga ham Nobelprisen i 1921.

Hva er den fotoelektriske effekten?

Annals of Physics

Når en lyskilde (eller mer generelt elektromagnetisk stråling) faller inn på en metallisk overflate, kan overflaten avgi elektroner. Elektroner som sendes ut på denne måten kalles fotoelektroner (selv om de fortsatt bare er elektroner). Dette er avbildet på bildet til høyre.

Sette opp den fotoelektriske effekten

Ved å administrere et negativt spenningspotensial (den svarte boksen på bildet) til kollektoren, tar det mer energi for elektronene å fullføre reisen og sette i gang strømmen. Punktet der ingen elektroner kommer til kollektoren kalles stoppe potensial V_s , og kan brukes til å bestemme maksimal kinetisk energi K_maks av elektronene (som har elektronisk ladning og ) ved å bruke følgende ligning:

K_maks = eV_s

Den klassiske bølgeforklaringen

Arbeidsfunksjon phiPhi

Tre hovedspådommer kommer fra denne klassiske forklaringen:

1. Intensiteten til strålingen bør ha et proporsjonalt forhold til den resulterende maksimale kinetiske energien.
2. Den fotoelektriske effekten bør oppstå for ethvert lys, uavhengig av frekvens eller bølgelengde.
3. Det bør være en forsinkelse i størrelsesorden sekunder mellom strålingens kontakt med metallet og den første frigjøringen av fotoelektroner.

Det eksperimentelle resultatet

1. Intensiteten til lyskilden hadde ingen effekt på den maksimale kinetiske energien til fotoelektronene.
2. Under en viss frekvens oppstår ikke den fotoelektriske effekten i det hele tatt.
3. Det er ingen betydelig forsinkelse (mindre enn 10^-9s) mellom lyskildeaktiveringen og emisjonen av de første fotoelektronene.

Som du kan se, er disse tre resultatene det stikk motsatte av spådommene om bølgeteori. Ikke bare det, men de er alle tre helt kontraintuitive. Hvorfor vil ikke lavfrekvent lys utløse den fotoelektriske effekten, siden det fortsatt bærer energi? Hvordan slipper fotoelektronene så raskt? Og, kanskje mest rart, hvorfor resulterer ikke det å legge til mer intensitet i mer energiske elektronutgivelser? Hvorfor feiler bølgeteorien så fullstendig i dette tilfellet når den fungerer så bra i så mange andre situasjoner

Einsteins fantastiske år

Albert Einstein Annals of Physics

Bygger på Max Planck 's svartkroppsstråling teori, foreslo Einstein at strålingsenergi ikke er kontinuerlig fordelt over bølgefronten, men er i stedet lokalisert i små bunter (senere kalt fotoner ). Fotonets energi vil være assosiert med dets frekvens ( n ), gjennom en proporsjonalitetskonstant kjent som Planck er konstant ( h ), eller alternativt ved å bruke bølgelengden ( l ) og lysets hastighet ( c ):

OG = hν = hc / l

eller momentum-ligningen: s = h / l

nf

Hvis det derimot er overflødig energi, utover Phi , i fotonet blir overskuddsenergien omdannet til den kinetiske energien til elektronet:

K_maks = hν - Phi

Den maksimale kinetiske energien oppstår når de minst tettbundne elektronene bryter løs, men hva med de tettest bundne; De der det er bare nok energi i fotonet til å slå det løs, men den kinetiske energien som resulterer i null? Omgivelser K_maks lik null for dette cutoff frekvens ( n_c ), vi får:

n_c = Phi / h

eller cutoff-bølgelengden: l_c = hc / Phi

Etter Einstein

Det viktigste er at den fotoelektriske effekten, og fotonteorien den inspirerte, knuste den klassiske bølgeteorien om lys. Selv om ingen kunne benekte at lys oppførte seg som en bølge, etter Einsteins første artikkel, var det ubestridelig at det også var en partikkel.