Най- фотоелектричен ефект представлява сериозно предизвикателство за изследването на оптика в последната част от 1800-те. Това предизвика предизвикателството класическа теория на вълните на светлината, която беше преобладаващата теория на времето. Именно решението на тази дилема по физика катапултира Айнщайн в известност във физическата общност, в крайна сметка му спечели Нобеловата награда от 1921 г.
Какъв е фотоелектричният ефект?
Анален дер Физик
Когато източник на светлина (или по-общо електромагнитно излъчване) попадне върху метална повърхност, повърхността може да излъчва електрони. Електрони, излъчвани по този начин, се наричат фотоелектроните (въпреки че те все още са само електрони). Това е изобразено на изображението вдясно.
Настройка на фотоефекта
Чрез администриране на отрицателен потенциал за напрежение (черната кутия на снимката) към колектора е необходимо повече енергия за електроните да завършат пътуването и да инициират тока. Точката, в която никой електрони не го стига до колектора, се нарича
спиращ потенциал Vс, и може да се използва за определяне на максималната кинетична енергия Kмакс на електроните (които имат електронен заряд д) чрез използване на следното уравнение:Kмакс = ЕГс
Обяснението на класическата вълна
Iwork функция phiPhi
Три основни прогнози произтичат от това класическо обяснение:
- Интензитетът на излъчването трябва да има пропорционална връзка с получената максимална кинетична енергия.
- Фотоелектричният ефект трябва да възникне за всяка светлина, независимо от честотата или дължината на вълната.
- Трябва да има забавяне от порядъка на секундите между контакта на лъчението с метала и първоначалното освобождаване на фотоелектроните.
Резултатът от експеримента
- Интензитетът на източника на светлина не оказва влияние върху максималната кинетична енергия на фотоелектроните.
- Под определена честота фотоелектричният ефект изобщо не се проявява.
- Няма значително забавяне (по-малко от 10-9 s) между активирането на източника на светлина и излъчването на първите фотоелектрони.
Както можете да разберете, тези три резултата са точно противоположни на прогнозите на теорията на вълните. Не само това, но и трите са напълно контраинтуитивни. Защо нискочестотната светлина не би задействала фотоелектричния ефект, тъй като тя все още носи енергия? Как фотоелектроните се освобождават толкова бързо? И, може би най-любопитно, защо добавянето на по-голяма интензивност не води до по-енергични освобождавания на електрон? Защо теорията на вълните се проваля толкова категорично в този случай, когато работи толкова добре в толкова много други ситуации
Прекрасната година на Айнщайн
Алберт Айнщайн Анален дер Физик
Да се надгражда Макс Планк'с излъчване на черно тяло теория, Айнщайн предложи енергията на радиацията да не се разпределя непрекъснато по фронта на вълната, а вместо това е локализирана в малки снопове (наричани по-късно фотони). Енергията на фотона ще бъде свързана с неговата честота (ν), чрез константа на пропорционалност, известна като Константата на Планк (з) или алтернативно, като се използва дължината на вълната (λ) и скоростта на светлината (° С):
E = hν = ж.к. / λ
или уравнението на импулса: р = з / λ
νφ
Ако обаче има излишна енергия, отвъд φ, във фотона излишната енергия се преобразува в кинетична енергия на електрона:
Kмакс = hν - φ
Максималната кинетична енергия води до освобождаване на най-слабо свързаните електрони, но какво да кажем за най-плътно свързаните; Тези, в които има просто достатъчно енергия във фотона, за да го съсипе, но кинетичната енергия, която води до нула? обстановка Kмакс равна на нула за това честота на изключване (ν° С), получаваме:
ν° С = φ / з
или дължината на вълната на прекъсване: λ° С = ж.к. / φ
След Айнщайн
Най-важното е, че фотоелектричният ефект и теорията на фотоните, които вдъхновяваха, смазаха класическата вълнова теория на светлината. Въпреки че никой не можеше да отрече светлината да се държи като вълна, след първата книга на Айнщайн беше неоспоримо, че тя също е частица.