Fotoelektriskais efekts un Einšteina 1921. gada Nobela prēmija

fotoelektriskais efekts izvirzīja ievērojamu izaicinājumu optika otrajā pusē 1800. gados. Tā apstrīdēja klasiskā viļņa teorija gaismas, kas bija tā laika valdošā teorija. Tieši šīs fizikas dilemmas risinājums katapulēja Einšteinu fizikas aprindās un pamanīja viņu, galu galā nopelnot viņam 1921. gada Nobela prēmiju.

Annalen der Physik

Ja gaismas avots (vai vispārīgāk - elektromagnētiskais starojums) nonāk uz metāliskās virsmas, virsma var izstarot elektronus. Šādi izstarotus elektronus sauc fotoelektroni (kaut arī tie joprojām ir tikai elektroni). Tas ir attēlots attēlā pa labi.

Ievadot kolektorā negatīvu sprieguma potenciālu (attēlā redzamo melno lodziņu), elektroniem nepieciešams vairāk enerģijas, lai pabeigtu braucienu un ierosinātu strāvu. Punktu, kurā elektroni nenonāk līdz kolektoram, sauc par apstāšanās potenciāls V_s, un to var izmantot, lai noteiktu maksimālo kinētisko enerģiju K_maks elektronu (kuriem ir elektroniska lādiņa) e), izmantojot šādu vienādojumu:

K_maks = eV_s

Iwork funkcija phiPhi

No šī klasiskā skaidrojuma izriet trīs galvenās prognozes:

1. Apstarojuma intensitātei jābūt proporcionālai attiecībai ar iegūto maksimālo kinētisko enerģiju.
2. Fotoelektriskajam efektam vajadzētu rasties jebkurai gaismai neatkarīgi no frekvences vai viļņa garuma.
3. Starp starojuma kontaktu ar metālu un sākotnējo fotoelektronu izlaišanu vajadzētu aizkavēties dažu sekunžu secībā.

1. Gaismas avota intensitāte neietekmēja fotoelektronu maksimālo kinētisko enerģiju.
2. Zem noteiktas frekvences fotoelektriskais efekts vispār nenotiek.
3. Nav būtiskas kavēšanās (mazāk nekā 10%)^-9 s) starp gaismas avota ieslēgšanos un pirmo fotoelektronu izstarošanu.

Kā jūs varat pateikt, šie trīs rezultāti ir tieši pretēji viļņu teorijas pareģojumiem. Ne tikai tas, bet viņi visi trīs ir pilnīgi pretrunīgi intuitīvi. Kāpēc zemfrekvences gaisma neizraisītu fotoelektrisko efektu, jo tā joprojām nes enerģiju? Kā fotoelektroni atbrīvojas tik ātri? Un, iespējams, ļoti kuriozi, kāpēc, pievienojot lielāku intensitāti, neizdalās enerģētiskāki elektroni? Kāpēc viļņu teorija šajā gadījumā neizdodas tik ļoti, ja tā tik labi darbojas tik daudzās citās situācijās

Alberts Einšteins Annalen der Physik

Balstoties uz Makss Planks's melnā ķermeņa starojums teorijā Einšteins ierosināja, ka starojuma enerģija netiek nepārtraukti sadalīta pa viļņu fronti, bet gan tiek lokalizēta mazos saišķos (vēlāk saukta fotoni). Fotona enerģija būtu saistīta ar tā frekvenci (ν), izmantojot proporcionalitātes konstantu, kas pazīstama kā Planka konstante (h) vai pārmaiņus, izmantojot viļņa garumu (λ) un gaismas ātrumu (c):

E = hν = hc / λ

vai impulsa vienādojums: lpp = h / λ

νφ

Tomēr, ja ārpus tā ir enerģijas pārpalikums φ, fotonā liekā enerģija tiek pārveidota par elektronu kinētisko enerģiju:

K_maks = hν - φ

Maksimālā kinētiskā enerģija rodas tad, kad sadalās vismazāk cieši saistītie elektroni, bet kā ir ar visciešāk saistītajiem elektroniem; Tās, kurās ir tikai pietiekami daudz enerģijas fotonā, lai to zaudētu, bet kinētiskā enerģija, kuras rezultāts ir nulle? Iestatīšana K_maks par to vienāds ar nulli nogriešanas frekvence (ν_c), mēs iegūstam:

ν_c = φ / h

vai nogriešanas viļņa garums: λ_c = hc / φ

Vissvarīgākais ir tas, ka fotoelektriskais efekts un fotonu teorija, kuru tas iedvesmoja, sasmalcināja klasisko gaismas viļņu teoriju. Lai arī neviens nevarēja noliegt, ka gaisma izturējās kā vilnis, pēc Einšteina pirmā darba nebija noliedzams, ka tā bija arī daļiņa.