Fotoelektromos effektus és Einstein 1921-es Nobel-díja

Az fotoelektromos hatás jelentős kihívást jelentett a optika az 1800-as évek második felében. Ez vitatta a klasszikus hullámelmélet a fény, amely az akkori uralkodó elmélet volt. Ennek a fizikai dilemmának a megoldása vezette Einsteint a fizikai közösség kiemelkedő helyére, végül az 1921-es Nobel-díjjal jutalmazva.

Annalen der Physik

Ha egy fényforrás (vagy általánosabban az elektromágneses sugárzás) kerül fémfelületre, a felület elektronokat bocsáthat ki. Ilyen módon kibocsátott elektronokat nevezzünk fotoelektronokat (bár ezek még mindig csak elektronok). Ezt a jobb oldali képen mutatjuk be.

Ha negatív feszültségpotenciált (a képen a fekete dobozot) ad a kollektornak, több energiát vesz igénybe az elektronok az utazás befejezéséhez és az áram kezdeményezéséhez. Az a pont, ahol egyetlen elektron sem jut a kollektorhoz, az a megállítja a potenciált V_s, és felhasználható a maximális kinetikus energia meghatározására K_max az elektronok száma (amelyek elektronikus töltéssel rendelkeznek)

K_max = eV_s

Iwork funkció phiPhi

Három fő előrejelzés származik ebből a klasszikus magyarázatból:

1. A sugárzás intenzitásának arányosnak kell lennie a kapott maximális kinetikus energiával.
2. A fotoelektromos hatásnak minden fénynek meg kell jelennie, függetlenül a frekvenciától vagy a hullámhossztól.
3. A sugárzásnak a fémmel való érintkezése és a fotoelektronok kezdeti felszabadulása között másodpercrendű késéssel kell számolni.

1. A fényforrás intenzitása nem befolyásolta a fotoelektronok maximális kinetikus energiáját.
2. Egy bizonyos frekvencia alatt a fotoelektromos hatás egyáltalán nem fordul elő.
3. Nincs jelentős késés (kevesebb mint 10%)^-9 s) a fényforrás aktiválása és az első fotoelektronok kibocsátása között.

Mint mondhatjuk, ez a három eredmény pontosan ellentétes a hullámelmélet előrejelzéseivel. Nem csak, de mindhárom teljesen ellentétes intuícióval. Miért nem okozna alacsony frekvenciájú fény a fotoelektromos hatást, mivel még mindig hordozza az energiát? Hogyan engedik el a fotoelektronikákat ilyen gyorsan? És talán leginkább kíváncsi, miért nem eredményez nagyobb intenzitást az energikusabb elektronkibocsátás? Miért hibátlanul ebben az esetben a hullámelmélet, ha nagyon sok más helyzetben működik jól?

Albert Einstein Annalen der Physik

Építve Max Planck„s fekete test sugárzása elmélet szerint Einstein azt javasolta, hogy a sugárzási energiát nem osztják el folyamatosan a hullámfalon, hanem inkább kis kötegekben (később fotonok). A foton energiáját a frekvenciájához kapcsolnánk (ν) egy arányossági állandó révén, mint Planck állandó (h), vagy váltakozva, a hullámhossz (λ) és a fénysebesség (c):

E = hv = hc / λ

vagy a lendület egyenlet: p = h / λ

νφ

Ha azonban van túl energia, túl φ, a fotonban a felesleges energiát az elektron kinetikus energiájá alakítják:

K_max = hv - φ

A maximális kinetikus energia akkor keletkezik, amikor a legkevésbé szorosan kötött elektronok megszabadulnak, de mi lenne a legszorosabban kötött elektronokkal; Azok, amelyekben van éppen elegendő energia van a fotonban ahhoz, hogy elkoptassa azt, de a kinetikus energia, amely nullát eredményez? Beállítás K_max ehhez nulla levágási frekvencia (ν_c), kapunk:

ν_c = φ / h

vagy a küszöbhullámhossz: λ_c = hc / φ

A legfontosabb, hogy a fotoelektromos hatás és az általa inspirált fotonelmélet összetörte a klasszikus fényhullám-elméletet. Bár senki sem tagadhatja, hogy a fény hullámként viselkedett, Einstein első cikke után vitathatatlan, hogy ez is részecske.