Fotoelektrický efekt

Wikimedia Commons

The fotoelektrický efekt predstavovalo významnú výzvu pre štúdiumoptikav druhej časti 19. storočia. Napadlo to klasická vlnová teória svetla, čo bola prevládajúca teória tej doby. Bolo to riešenie tejto fyzikálnej dilemy, ktoré katapultovalo Einsteina do popredia vo fyzikálnej komunite, čo mu nakoniec vynieslo Nobelovu cenu z roku 1921.

Čo je to fotoelektrický efekt?

Annals of Physics

Keď zdroj svetla (alebo všeobecnejšie elektromagnetické žiarenie) dopadá na kovový povrch, povrch môže emitovať elektróny. Elektróny emitované týmto spôsobom sa nazývajú fotoelektróny (aj keď sú to stále len elektróny). Toto je znázornené na obrázku vpravo.

Nastavenie fotoelektrického efektu

Privedením záporného napäťového potenciálu (čierna skrinka na obrázku) do kolektora potrebuje elektróny viac energie, aby dokončili cestu a iniciovali prúd. Bod, v ktorom sa žiadne elektróny nedostanú do kolektora, sa nazýva zastavovací potenciál V_s a môže sa použiť na určenie maximálnej kinetickej energie K_max elektrónov (ktoré majú elektronický náboj a ) pomocou nasledujúcej rovnice:

K_max = eV_s

Vysvetlenie klasickej vlny

Pracovná funkcia phiPhi

Z tohto klasického vysvetlenia pochádzajú tri hlavné predpovede:

1. Intenzita žiarenia by mala mať úmerný vzťah k výslednej maximálnej kinetickej energii.
2. Fotoelektrický efekt by sa mal vyskytnúť pri akomkoľvek svetle, bez ohľadu na frekvenciu alebo vlnovú dĺžku.
3. Medzi kontaktom žiarenia s kovom a počiatočným uvoľnením fotoelektrónov by malo byť oneskorenie rádovo v sekundách.

Experimentálny výsledok

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

Ako môžete povedať, tieto tri výsledky sú presným opakom predpovedí vlnovej teórie. Nielen to, ale všetky tri sú úplne kontraintuitívne. Prečo by nízkofrekvenčné svetlo nespustilo fotoelektrický efekt, keďže stále nesie energiu? Ako sa fotoelektróny uvoľňujú tak rýchlo? A čo je možno najzaujímavejšie, prečo pridanie väčšej intenzity nevedie k energickejšiemu uvoľňovaniu elektrónov? Prečo vlnová teória v tomto prípade tak úplne zlyhá, keď tak dobre funguje v mnohých iných situáciách

Einsteinov úžasný rok

Albert Einstein Annals of Physics

Stavať na Max Planck 's žiarenie čierneho telesa teória Einstein navrhol, že energia žiarenia nie je kontinuálne distribuovaná po vlnoploche, ale je lokalizovaná v malých zväzkoch (neskôr tzv. fotóny ). Energia fotónu by bola spojená s jeho frekvenciou ( n ), prostredníctvom konštanty proporcionality známej ako Planckova konštanta ( h ), alebo alternatívne pomocou vlnovej dĺžky ( l ) a rýchlosť svetla ( c ):

A = hν = hc / l

alebo rovnica hybnosti: p = h / l

nf

Ak však existuje prebytok energie, potom Phi vo fotóne sa prebytočná energia premení na kinetickú energiu elektrónu:

K_max = hν - Phi

Maximálna kinetická energia vzniká, keď sa uvoľnia najmenej pevne viazané elektróny, ale čo tie najpevnejšie viazané; Tie, v ktorých je len dostatok energie vo fotóne na jeho uvoľnenie, ale kinetická energia, ktorá má za následok nulu? Nastavenie K_max rovná nule za to medzná frekvencia ( n_c ), dostaneme:

n_c = Phi / h

alebo medzná vlnová dĺžka: l_c = hc / Phi

Po Einsteinovi

Najdôležitejšie je, že fotoelektrický efekt a fotónová teória, ktorú inšpiroval, rozdrvili klasickú vlnovú teóriu svetla. Hoci nikto nemohol poprieť, že svetlo sa správalo ako vlna, po Einsteinovom prvom článku bolo nepopierateľné, že to bola tiež častica.