Fotoelektrinis efektas ir 1921 m. Einšteino Nobelio premija

fotoelektrinis efektas sukėlė nemažą iššūkį optika paskutinėje 1800-ųjų dalyje. Tai užginčijo klasikinių bangų teorija šviesos, kuri buvo vyraujanti to meto teorija. Būtent šios fizikos dilemos sprendimas paskatino Einsteiną atkreipti dėmesį į fizikos bendruomenę ir galiausiai uždirbo jam 1921 m. Nobelio premiją.

Annalen der Physik

Kai metalinis paviršius patenka į šviesos šaltinį (arba, plačiau, elektromagnetinę spinduliuotę), paviršius gali skleisti elektronus. Tokiu būdu skleidžiami elektronai fotoelektronai (nors jie vis dar yra tik elektronai). Tai pavaizduota paveikslėlyje dešinėje.

Kolektoriui suleidus neigiamos įtampos potencialą (juodoji dėžutė nuotraukoje), elektronams reikia daugiau energijos, kad kelionė būtų baigta ir srovė būtų inicijuota. Taškas, kuriame jokie elektronai nepatenka į kolektorių, vadinamas sustabdyti potencialą V_s, ir gali būti naudojamas maksimaliai kinetinei energijai nustatyti K_maks elektronų (turinčių elektroninį krūvį) e) naudojant šią lygtį:

K_maks = eV_s

Iwork funkcija „phiPhi“

Iš šio klasikinio paaiškinimo kyla trys pagrindinės prognozės:

1. Spinduliavimo intensyvumas turėtų būti proporcingai susijęs su gaunama didžiausia kinetine energija.
2. Fotoelektrinis efektas turėtų atsirasti bet kuriai šviesai, nepriklausomai nuo dažnio ar bangos ilgio.
3. Tarp radiacijos kontakto su metalu ir pradinio fotoelektronų išsiskyrimo sekundės turėtų būti atidėtos sekundžių tvarka.

1. Šviesos šaltinio intensyvumas neturėjo įtakos maksimaliai fotoelektronų kinetinei energijai.
2. Žemiau tam tikro dažnio fotoelektrinis efektas išvis neatsiranda.
3. Didelio vėlavimo nėra (mažiau nei 10%)^-9 s) tarp šviesos šaltinio įjungimo ir pirmųjų fotoelektronų išsiskyrimo.

Kaip jūs galite pasakyti, šie trys rezultatai yra visiškai priešingi bangų teorijos prognozėms. Ne tik tai, bet jie visi trys yra visiškai intuityvūs. Kodėl žemo dažnio šviesa neturėtų sukelti fotoelektrinio efekto, nes ji vis tiek nešioja energiją? Kaip fotoelektronai išsiskiria taip greitai? Ir, ko gero, keisčiausia, kodėl padidinus didesnį intensyvumą, energija nesusidaro daugiau elektronų? Kodėl bangų teorija šiuo atveju žlunga taip smarkiai, kai ji taip gerai veikia daugelyje kitų situacijų

Albertas Einšteinas Annalen der Physik

Remiantis Maksas Plankas's juodųjų kūnų radiacija teorija, Einšteinas pasiūlė, kad radiacijos energija nėra tolygiai paskirstoma per bangos kraštą, o yra lokalizuota mažuose pluoštuose (vėliau vadinama fotonai). Fotono energija būtų susieta su jo dažniu (ν) proporcingumo konstanta, vadinama Planko konstanta (h) arba pakaitomis naudojant bangos ilgį (λ) ir šviesos greitį (c):

E = hν = hc / λ

arba impulso lygtis: p = h / λ

νφ

Jei vis dėlto yra energijos perteklius, anapus φ, fotone perteklinė energija paverčiama elektrono kinetine energija:

K_maks = hν - φ

Didžiausia kinetinė energija gaunama tada, kai mažiausiai sandariai surišti elektronai išsisklaido, bet ką daryti su glaudžiausiai surištaisiais. Tie, kuriuose yra tiesiog pakankamai energijos fotone, kad ji galėtų išmušti, bet kinetinė energija, kurios rezultatas yra lygus nuliui? Nustatymas K_maks lygus nuliui už tai ribinis dažnis (ν_c), mes gauname:

ν_c = φ / h

arba ribinės bangos ilgis: λ_c = hc / φ

Svarbiausia, kad fotoelektrinis efektas ir jo įkvėpta fotonų teorija sugriovė klasikinę šviesos bangų teoriją. Nors niekas negalėjo paneigti, kad šviesa elgėsi kaip banga, po pirmojo Einšteino darbo buvo neabejotina, kad tai taip pat dalelė.