Det fotoelektrisk effekt udgjorde en betydelig udfordring for studiet af optik i den sidste del af 1800-tallet. Det udfordrede klassisk bølgeteori af lys, som var datidens rådende teori. Det var løsningen på dette fysikdilemma, som katapulterede Einstein til en fremtrædende rolle i fysiksamfundet og i sidste ende tjente ham Nobelprisen fra 1921.
Hvad er den fotoelektriske effekt?
Annalen der Physik
Når en lyskilde (eller mere generelt elektromagnetisk stråling) er indfaldet på en metallisk overflade, kan overfladen udsende elektroner. Elektroner, der udsendes på denne måde, kaldes fotoelektronerne (selvom de stadig kun er elektroner). Dette er afbildet på billedet til højre.
Opsætning af den fotoelektriske effekt
Ved at administrere et negativt spændingspotentiale (den sorte boks på billedet) til samleren, tager det mere energi for elektronerne at afslutte rejsen og starte strømmen. Det punkt, hvor ingen elektroner kommer til samleren, kaldes stoppe potentiale Vs, og kan bruges til at bestemme den maksimale kinetiske energi
Kmax af elektronerne (som har elektronisk ladning e) ved at bruge følgende ligning:Kmax = eVs
Den klassiske bølgeforklaring
Iwork-funktion phiPhi
Tre hovedforudsigelser kommer fra denne klassiske forklaring:
- Strålingsintensiteten skal have et forholdsmæssigt forhold til den resulterende maksimale kinetiske energi.
- Den fotoelektriske effekt skal forekomme for ethvert lys, uanset frekvens eller bølgelængde.
- Der bør være en forsinkelse i rækkefølgen af sekunder mellem strålingens kontakt med metallet og den første frigivelse af fotoelektroner.
Det eksperimentelle resultat
- Intensiteten af lyskilden havde ingen indflydelse på fotoelektronernes maksimale kinetiske energi.
- Under en bestemt frekvens forekommer den fotoelektriske effekt slet ikke.
- Der er ingen betydelig forsinkelse (mindre end 10-9 s) mellem aktivering af lyskilden og emissionen af de første fotoelektroner.
Som du kan sige, er disse tre resultater det nøjagtige modsætning til bølgeteoretiske forudsigelser. Ikke kun det, men de er alle tre fuldstændigt intuitive. Hvorfor ville lavfrekvent lys ikke udløse den fotoelektriske effekt, da det stadig bærer energi? Hvordan frigøres fotoelektronerne så hurtigt? Og måske mest underligt, hvorfor resulterer tilføjelse af mere intensitet ikke i mere energiske elektronudgivelser? Hvorfor fejler bølgeteorien så fuldstændigt i dette tilfælde, når den fungerer så godt i så mange andre situationer
Einsteins vidunderlige år
Albert Einstein Annalen der Physik
Bygger på Max Planck's blackbody stråling teori foreslog Einstein, at strålingsenergi ikke kontinuerligt distribueres over bølgefronten, men i stedet lokaliseres i små bundter (senere kaldet fotoner). Fotonens energi ville være forbundet med dens hyppighed (ν), gennem en proportionalitetskonstant kendt som Planck er konstant (h) eller skiftevis ved hjælp af bølgelængden (λ) og lysets hastighed (c):
E = hv = hc / λ
eller momentumligningen: p = h / λ
νφ
Hvis der dog er overskydende energi derudover φ, i fotonen konverteres overskydende energi til elektronens kinetiske energi:
Kmax = hv - φ
Den maksimale kinetiske energi resulterer, når de mindst tæt bundne elektroner går løs, men hvad med de mest tæt bundne elektroner; De der er i lige nok energi i fotonen til at slå den løs, men den kinetiske energi, der resulterer i nul? Indstilling Kmax lig med nul for dette afbrydelsesfrekvens (νc), vi får:
νc = φ / h
eller afskæringsbølgelængden: λc = hc / φ
Efter Einstein
Mest markant knust den fotoelektriske effekt og fotonteorien, den inspirerede, den klassiske bølgeteori om lys. Selvom ingen kunne benægte, at lys opførte sig som en bølge, efter Einsteins første papir, var det ubestrideligt, at det også var en partikel.