Fotoelektrični učinek

Wikimedia Commons

The fotoelektrični učinek predstavljalo velik izziv za preučevanjeoptikav zadnjem delu 1800-ih. Izzvalo je klasična teorija valov svetlobe, ki je bila prevladujoča teorija tistega časa. Rešitev te fizikalne dileme je Einsteina povzdignila v ugled v skupnosti fizikov in mu leta 1921 prinesla Nobelovo nagrado.

Kaj je fotoelektrični učinek?

Annals of Physics

Ko vir svetlobe (ali bolj splošno elektromagnetno sevanje) vpade na kovinsko površino, lahko površina oddaja elektrone. Tako oddane elektrone imenujemo fotoelektronov (čeprav so še vedno samo elektroni). To je prikazano na sliki na desni.

Nastavitev fotoelektričnega učinka

Z dovajanjem negativnega napetostnega potenciala (črna skrinjica na sliki) na zbiralnik potrebuje več energije, da elektroni dokončajo pot in sprožijo tok. Točka, kjer noben elektron ne pride do zbiralnika, se imenuje zaustavitveni potencial V_s , in se lahko uporabi za določitev največje kinetične energije K_maks elektronov (ki imajo elektronski naboj in ) z uporabo naslednje enačbe:

K_maks = eV_s

Klasična valovna razlaga

Delovna funkcija phiPhi

Iz te klasične razlage izhajajo tri glavne napovedi:

1. Intenzivnost sevanja mora biti sorazmerna s posledično največjo kinetično energijo.
2. Fotoelektrični učinek bi se moral pojaviti pri kateri koli svetlobi, ne glede na frekvenco ali valovno dolžino.
3. Med stikom sevanja s kovino in začetnim sproščanjem fotoelektronov mora biti zakasnitev reda sekund.

Eksperimentalni rezultat

1. Intenzivnost vira svetlobe ni vplivala na največjo kinetično energijo fotoelektronov.
2. Pod določeno frekvenco se fotoelektrični učinek sploh ne pojavi.
3. Ni večje zamude (manj kot 10^-9s) med aktivacijo svetlobnega vira in emisijo prvih fotoelektronov.

Kot lahko vidite, so ti trije rezultati pravo nasprotje napovedi valovne teorije. Ne samo to, vsi trije so popolnoma kontraintuitivni. Zakaj nizkofrekvenčna svetloba ne bi sprožila fotoelektričnega učinka, saj vseeno prenaša energijo? Kako se fotoelektroni sprostijo tako hitro? In kar je morda najbolj radovedno, zakaj dodajanje večje intenzivnosti ne povzroči več energijskih sproščanj elektronov? Zakaj valovna teorija v tem primeru tako popolnoma odpove, ko pa tako dobro deluje v toliko drugih situacijah

Einsteinovo čudovito leto

Albert Einstein Annals of Physics

Gradimo naprej Max Planck 's sevanje črnega telesa V teoriji je Einstein predlagal, da energija sevanja ni zvezno porazdeljena po valovni fronti, ampak je lokalizirana v majhnih snopih (kasneje imenovanih fotoni ). Energija fotona bi bila povezana z njegovo frekvenco ( n ), prek konstante sorazmernosti, znane kot Planckova konstanta ( h ) ali izmenično z uporabo valovne dolžine ( l ) in hitrost svetlobe ( c ):

IN = hν = hc / l

ali enačba gibalne količine: str = h / l

nf

Če pa je viška energije, čez Phi , se v fotonu presežna energija pretvori v kinetično energijo elektrona:

K_maks = hν - Phi

Največja kinetična energija nastane, ko se najmanj tesno vezani elektroni zlomijo, kaj pa najbolj tesno vezani; Tiste, v katerih je samo dovolj energije v fotonu, da ga zrahlja, toda kinetična energija, ki povzroči nič? Nastavitev K_maks za to enaka nič mejna frekvenca ( n_c ), dobimo:

n_c = Phi / h

ali mejna valovna dolžina: l_c = hc / Phi

Po Einsteinu

Najpomembneje je, da sta fotoelektrični učinek in fotonska teorija, ki jo je navdihnil, zdrobila klasično valovno teorijo svetlobe. Čeprav nihče ni mogel zanikati, da se je svetloba obnašala kot val, je bilo po Einsteinovem prvem članku nesporno, da je bila tudi delec.