Fotoelektrični efekt i Einsteinova Nobelova nagrada za 1921. godinu

fotoelektrični učinak predstavljao je značajan izazov za izučavanje optika u potonjem dijelu 1800-ih. To je izazvalo problem klasična valna teorija svjetlosti, što je bila prevladavajuća teorija vremena. Upravo je rješenje ove dileme iz fizike katapultiralo Einsteina u istaknutost u fizičkoj zajednici, u konačnici ga dobivši Nobelovu nagradu 1921. godine.

Annalen der Physik

Kada izvor svjetlosti (ili općenito, elektromagnetsko zračenje) naleti na metalnu površinu, površina može emitirati elektrone. Nazivaju se elektroni koji se emitiraju na ovaj način photoelectrons (iako su to još uvijek samo elektroni). To je prikazano na slici desno.

Davanjem negativnog naponskog potencijala (crna kutija na slici) na kolektor treba više energije da elektroni završe put i pokrenu struju. Točka u kojoj niti jedan elektron ne dospije u kolektor naziva se zaustavni potencijal V_a, a može se koristiti za određivanje maksimalne kinetičke energije K_maksimum elektrona (koji imaju elektronski naboj e) pomoću sljedeće jednadžbe:

K_maksimum = eV_a

Iwork funkcija phiPhi

Tri glavna predviđanja proizlaze iz ovog klasičnog objašnjenja:

1. Intenzitet zračenja trebao bi biti proporcionalan odnosu prema rezultirajućoj maksimalnoj kinetičkoj energiji.
2. Fotoelektrični učinak trebao bi se pojaviti za bilo koje svjetlo, bez obzira na frekvenciju ili valnu duljinu.
3. Trebalo bi odgoditi redoslijed sekundi između kontakta zračenja s metalom i početnog oslobađanja fotoelektrona.

1. Intenzitet izvora svjetlosti nije utjecao na maksimalnu kinetičku energiju fotoelektrona.
2. Ispod određene učestalosti fotoelektrični se efekt uopće ne pojavljuje.
3. Nema značajnog kašnjenja (manje od 10^-9 s) između aktiviranja izvora svjetlosti i emisije prvih fotoelektrona.

Kao što možete reći, ova su tri rezultata upravo suprotna predviđanjima teorije valova. I ne samo to, već su sva trojica potpuno kontra intuitivna. Zašto svjetlost niske frekvencije ne pokreće fotoelektrični učinak, jer još uvijek nosi energiju? Kako se fotoelektroni tako brzo oslobađaju? I, što je najzanimljivije, zašto dodavanje višeg intenziteta ne rezultira energičnijim oslobađanjem elektrona? Zašto teorija valova ne uspijeva tako krajnje u ovom slučaju kada tako dobro djeluje u tako mnogim drugim situacijama

Albert Einstein Annalen der Physik

Gradimo dalje Max Planck-ih zračenje crna tijela Teoretski, Einstein je predložio da se energija zračenja ne raspodjeljuje kontinuirano preko talasne fronte, već je umjesto toga lokalizirana u malim snopovima (kasnije nazvani fotona). Energija fotona bila bi povezana s njegovom frekvencijom (ν), putem konstante proporcionalnosti poznate kao Planckova konstanta (h), ili naizmjenično, pomoću valne duljine (λ) i brzina svjetlosti (c):

E = hν = hc / λ

ili jednadžba zamaha: p = h / λ

νφ

Ako, međutim, ima viška energije φ, u fotonu se višak energije pretvara u kinetičku energiju elektrona:

K_maksimum = hν - φ

Maksimalna kinetička energija rezultira kad se najmanje čvrsto spojeni elektroni oslobode, ali što je s onima koji su najjače čvrsto vezani; Oni u kojima ima samo dovoljno energije u fotonu da se ispuši, ali kinetička energija koja rezultira nulom? postavljanje K_maksimum jednaka nuli za to frekvencija rezanja (ν_c), dobivamo:

ν_c = φ / h

ili valna duljina granične vrijednosti: λ_c = hc / φ

Najznačajnije, fotoelektrični efekt i teorija fotona koje je nadahnula, srušili su klasičnu valnu teoriju svjetlosti. Iako nitko nije mogao poreći da se svjetlost ponašala poput vala, nakon Einsteinovog prvog rada bilo je nesporno da je i to čestica.