Fotoelektrický efekt a Einsteinova Nobelova cena z roku 1921

fotoelektrický efekt představovalo významnou výzvu pro studium optika ve druhé části 19. století. To napadlo teorie klasické vlny světla, což byla převládající teorie času. Bylo to řešení tohoto fyzického dilematu, které katapultovalo Einsteina na význam ve fyzikální komunitě a nakonec mu vyneslo Nobelovu cenu z roku 1921.

Annalen der Physik

Když světelný zdroj (nebo obecněji elektromagnetické záření) dopadne na kovový povrch, může povrch emitovat elektrony. Elektrony emitované tímto způsobem se nazývají fotoelektrony (i když jsou to stále jen elektrony). To je znázorněno na obrázku vpravo.

Podáním záporného napěťového potenciálu (černá skříňka na obrázku) kolektoru potřebuje elektrony více energie, aby dokončily cestu a zahájily proud. Bod, ve kterém se žádné elektrony nedostanou ke kolektoru, se nazývá brzdný potenciál V_sa lze použít k určení maximální kinetické energie K_max elektronů (které mají elektronický náboj E) pomocí následující rovnice:

K_max = eV_s

Funkční funkce phiPhi

Z tohoto klasického vysvětlení vycházejí tři hlavní předpovědi:

1. Intenzita záření by měla mít poměrný vztah k výsledné maximální kinetické energii.
2. Fotoelektrický efekt by měl nastat u každého světla, bez ohledu na frekvenci nebo vlnovou délku.
3. Mezi kontaktem záření s kovem a počátečním uvolněním fotoelektronů by mělo být zpoždění v řádu sekund.

1. Intenzita světelného zdroje neměla žádný vliv na maximální kinetickou energii fotoelektronů.
2. Pod určitou frekvencí se fotoelektrický efekt vůbec nevyskytuje.
3. Neexistuje žádné významné zpoždění (méně než 10%)^-9 s) mezi aktivací světelného zdroje a emisemi prvních fotoelektronů.

Jak můžete říci, tyto tři výsledky jsou přesným opakem předpovědí teorie vln. Nejen to, ale jsou to všichni tři naprosto kontraintuitivní. Proč by nízkofrekvenční světlo nespouštělo fotoelektrický efekt, protože stále nese energii? Jak se fotoelektrony uvolňují tak rychle? A co je nejzajímavější, proč přidání větší intenzity nevede k energetičtějšímu uvolňování elektronů? Proč teorie vln v tomto případě selhává tak úplně, když to funguje tak dobře v tolika jiných situacích

Albert Einstein Annalen der Physik

V návaznosti na Max Planck's vyzařování černých těles teorie, Einstein navrhl, že radiační energie není nepřetržitě distribuována přes wavefront, ale je místo toho lokalizován v malých svazcích (později volal fotony). Energie fotonu by byla spojena s jeho frekvencí (ν) prostřednictvím konstanty proporcionality známé jako Planckova konstanta (h) nebo alternativně pomocí vlnové délky (λ) a rychlost světla (C):

E = hν = hc / λ

nebo rovnice hybnosti: str = h / λ

νφ

Pokud je však nadbytek energie φ, ve fotonu, přebytečná energie je přeměněna na kinetickou energii elektronu:

K_max = hν - φ

Maximální kinetická energie vzniká, když se uvolní nejméně pevně vázané elektrony, ale co nejpevněji vázané elektrony; Ty, ve kterých je prostě dostatek energie ve fotonu, aby ji zaklepal, ale kinetická energie, která vede k nule? Nastavení K_max rovna nule za to mezní frekvence (ν_C), dostaneme:

ν_C = φ / h

nebo mezní vlnová délka: λ_C = hc / φ

Nejvýznamnější je, že fotoelektrický efekt a teorie fotonů, která inspirovala, rozdrtily klasickou vlnovou teorii světla. Ačkoli nikdo nemohl popřít, že se světlo chovalo jako vlna, po Einsteinově prvním papíru bylo nepopiratelné, že to byla také částice.