Fotoelektriefekt ja Einsteini 1921. aasta Nobeli preemia

fotoelektriline efekt esitas olulist väljakutset optika 1800ndate viimases osas. See vaidlustas klassikalise laine teooria valguse kohta, mis oli selle aja valitsev teooria. Just selle füüsika dilemma lahendus tõstis Einsteini füüsikakogukonnas esile ning tõstis talle lõpuks 1921. aasta Nobeli preemia.

Annalen der Physik

Kui metallpinnale satub valgusallikas (või üldisemalt elektromagnetiline kiirgus), võib pind eraldada elektronid. Sel viisil kiirgatud elektronid on nn fotoelektronid (kuigi nad on endiselt vaid elektronid). Seda on kujutatud pildil paremal.

Negatiivse pingepotentsiaali (pildil must kast) manustamisega kollektorile kulub elektronidel teekonna lõpuleviimiseks ja voolu käivitamiseks rohkem energiat. Punkti, kus ükski elektron ei jõua kollektorini, nimetatakse potentsiaali peatamine V_sja seda saab kasutada maksimaalse kineetilise energia määramiseks K_max elektronidest (millel on elektrooniline laeng e) kasutades järgmist võrrandit:

K_max = eV_s

Iwork funktsioon phiPhi

Sellest klassikalisest seletusest tulevad kolm peamist ennustust:

1. Kiirguse intensiivsusel peaks olema proportsionaalne suhe saadud maksimaalse kineetilise energiaga.
2. Fotoelektriline efekt peaks ilmnema igas valguses, sõltumata sagedusest või lainepikkusest.
3. Kiirguse kokkupuutel metalliga ja fotoelektronite esmasel vabanemisel peaks sekundite järjekorras viivitus olema.

1. Valgusallika intensiivsus ei mõjutanud fotoelektronite maksimaalset kineetilist energiat.
2. Teatud sagedusest madalamal ei teki fotoelektrilist efekti üldse.
3. Märkimisväärset viivitust ei toimu (vähem kui 10%)^-9 s) valgusallika aktiveerimise ja esimeste fotoelektronite emissiooni vahel.

Nagu võite öelda, on need kolm tulemust laineteooria ennustustele täpselt vastupidised. Mitte ainult, vaid nad on kõik kolm täiesti intuitiivset. Miks madalsageduslik valgus ei vallandaks fotoelektrilist efekti, kuna see kannab endiselt energiat? Kuidas fotoelektronid nii kiiresti vabanevad? Ja mis kõige uudishimulikum - miks ei anna suurema intensiivsuse lisamine energilisemaid elektronide eraldusi? Miks laineteooria sel juhul nii läbi kukub, kui see töötab nii paljudes teistes olukordades nii hästi

Albert Einstein Annalen der Physik

Toetudes Max Planck's musta keha kiirgus teooria, Einstein tegi ettepaneku, et kiirgusenergia ei jaguneks pidevalt lainealal, vaid lokaliseeritakse selle asemel väikeste kimpudena (mida hiljem nimetatakse footonid). Footoni energiat seostatakse selle sagedusega (ν) proportsionaalsuskonstandi kaudu, mida nimetatakse Plancki konstant (h) või vaheldumisi, kasutades lainepikkust (λ) ja valguse kiirus (c):

E = hν = hc / λ

või impulssvõrrand: lk = h / λ

νφ

Kui aga on üleliigset energiat, siis väljaspool seda φ, teisendatakse liigne energia footonis elektroni kineetiliseks energiaks:

K_max = hν - φ

Maksimaalne kineetiline energia saadakse siis, kui kõige vähem tihedalt seotud elektronid vabanevad, kuid mis saab kõige tihedamalt seotud elektronidest; Need, milles on lihtsalt kas footonis on piisavalt energiat, et see lahti lüüa, kuid kineetiline energia, mille tulemuseks on null? Seadistamine K_max selle jaoks võrdne nulliga läbilõike sagedus (ν_c), saame:

ν_c = φ / h

või piirlainepikkus: λ_c = hc / φ

Kõige olulisem on, et fotoelektriline efekt ja sellest inspireeritud footoniteooria purustasid klassikalise valguse laineteooria. Kuigi keegi ei saanud eitada, et valgus käitus nagu laine, oli pärast Einsteini esimest paberit vaieldamatu, et see oli ka osake.