Fotoelektrický efekt a Einsteinova Nobelova cena za rok 1921

fotoelektrický efekt predstavovala významnú výzvu pre štúdium optika v druhej polovici 19. storočia. Spochybnil to teória klasickej vlny svetla, čo bola prevládajúca teória času. Bolo to riešenie tejto fyzickej dilemy, ktorá katapultovala Einsteina do popredia vo fyzickej komunite a nakoniec mu získala Nobelovu cenu za rok 1921.

Annalen der Physik

Ak svetelný zdroj (alebo všeobecnejšie elektromagnetické žiarenie) dopadne na kovový povrch, povrch môže emitovať elektróny. Elektróny emitované týmto spôsobom sa nazývajú fotoelektrony (hoci sú to stále len elektróny). To je znázornené na obrázku vpravo.

Podaním záporného napäťového potenciálu (čierna skrinka na obrázku) kolektoru potrebuje elektrónom viac energie na dokončenie cesty a spustenie prúdu. Bod, v ktorom sa žiadne elektróny nedostanú do kolektora, sa nazýva brzdiaci potenciál V_sa môže sa použiť na určenie maximálnej kinetickej energie K_max elektrónov (ktoré majú elektronický náboj e) pomocou nasledujúcej rovnice:

K_max = eV_s

Funkčná funkcia phiPhi

Z tohto klasického vysvetlenia vychádzajú tri hlavné predpovede:

1. Intenzita žiarenia by mala byť úmerná výslednej maximálnej kinetickej energii.
2. Fotoelektrický efekt by sa mal vyskytovať pre každé svetlo bez ohľadu na frekvenciu alebo vlnovú dĺžku.
3. Medzi kontaktom žiarenia s kovom a počiatočným uvoľnením fotoelektrónov by malo byť oneskorenie rádovo niekoľko sekúnd.

1. Intenzita svetelného zdroja nemala žiadny vplyv na maximálnu kinetickú energiu fotoelektrónov.
2. Pod určitou frekvenciou sa fotoelektrický efekt vôbec nevyskytuje.
3. Neexistuje významné oneskorenie (menej ako 10%)^-9 s) medzi aktiváciou zdroja svetla a emisiou prvých fotoelektrónov.

Ako viete, tieto tri výsledky sú presným opakom predpovedí teórie vĺn. Nielen to, ale všetky sú úplne kontraintuitívne. Prečo by nízkofrekvenčné svetlo nespúšťalo fotoelektrický efekt, pretože stále prenáša energiu? Ako sa fotoelektróny uvoľňujú tak rýchlo? A čo je asi najzaujímavejšie, prečo nevedie pridanie väčšej intenzity k vyššiemu uvoľňovaniu elektrónov? Prečo teória vĺn v tomto prípade zlyháva tak úplne, keď to funguje tak dobre v mnohých iných situáciách

Albert Einstein Annalen der Physik

Stavia na Max Planck, s žiarenie čiernych telies Einstein navrhol, že radiačná energia nie je nepretržite distribuovaná cez priečelie, ale namiesto toho je lokalizovaná v malých zväzkoch (neskôr nazývaných fotóny). Energia fotónu by bola spojená s jeho frekvenciou (ν) prostredníctvom konštanty proporcionality známej ako Planckova konštanta (hod) alebo alternatívne pomocou vlnovej dĺžky (λ) a rýchlosť svetla (C):

E = hν = hc / λ

alebo rovnica hybnosti: p = hod / λ

νφ

Ak je však nadbytok energie φvo fotóne sa prebytočná energia premieňa na kinetickú energiu elektrónu:

K_max = hν - φ

Maximálna kinetická energia sa dosiahne, keď sa najmenej pevne viazané elektróny uvoľnia, ale čo najviac pevne viazané elektróny; Tie, v ktorých je proste dostatok energie vo fotóne na to, aby sa uvoľnila, ale kinetická energia, ktorá vedie k nule? nastavenie K_max rovná sa nule medzná frekvencia (ν_C), dostaneme:

ν_C = φ / hod

alebo medzná vlnová dĺžka: λ_C = hc / φ

Najvýznamnejšie je, že fotoelektrický efekt a teória fotónov, ktoré inšpirovali, zničili klasickú vlnovú teóriu svetla. Aj keď nikto nemohol poprieť, že sa toto svetlo správalo ako vlna, po Einsteinovom prvom papieri bolo nepopierateľné, že išlo o časticu.