фотоэлектрический эффект представляет собой серьезную проблему для изучения оптика в последней части 1800-х годов. Это бросило вызов классическая волновая теория света, который был господствующей теорией того времени. Именно решение этой физической дилеммы вывело Эйнштейна на видное место в сообществе физиков, в конечном итоге получив Нобелевскую премию 1921 года.
Что такое фотоэлектрический эффект?
Annalen der Physik
Когда источник света (или, в более общем смысле, электромагнитное излучение) падает на металлическую поверхность, поверхность может излучать электроны. Электроны, излучаемые таким образом, называются фотоэлектроны (хотя они все еще просто электроны). Это изображено на изображении справа.
Настройка фотоэлектрического эффекта
Подавая потенциал отрицательного напряжения (черный ящик на рисунке) на коллектор, электронам требуется больше энергии, чтобы завершить путешествие и инициировать ток. Точка, в которой электроны не попадают в коллектор, называется потенциал остановки Vs
и может быть использован для определения максимальной кинетической энергии КМаксимум электронов (которые имеют электронный заряд е) с помощью следующего уравнения:КМаксимум = эВs
Классическая волна Объяснение
Iwork функция phiPhi
Три основных предсказания исходят из этого классического объяснения:
- Интенсивность излучения должна иметь пропорциональную зависимость с результирующей максимальной кинетической энергией.
- Фотоэлектрический эффект должен проявляться при любом освещении, независимо от частоты или длины волны.
- Между контактом излучения с металлом и первоначальным выпуском фотоэлектронов должна быть задержка порядка секунд.
Экспериментальный результат
- Интенсивность источника света не влияла на максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
- Ниже определенной частоты фотоэлектрический эффект вообще не возникает.
- Там нет значительной задержки (менее 10-9 s) между активацией источника света и излучением первых фотоэлектронов.
Как вы можете сказать, эти три результата являются полной противоположностью предсказаниям теории волн. Не только это, но они все три совершенно нелогичны. Почему низкочастотный свет не вызывает фотоэлектрический эффект, поскольку он все еще несет энергию? Как фотоэлектроны высвобождаются так быстро? И, возможно, наиболее любопытно, почему добавление большей интенсивности не приводит к более энергичным высвобождениям электронов? Почему волновая теория так сильно терпит неудачу в этом случае, когда она так хорошо работает во многих других ситуациях
Чудесный год Эйнштейна
Альберт Эйнштейн Annalen der Physik
Опираясь на Макс Планк«s излучение черного тела В теории Эйнштейн предположил, что энергия излучения не распределяется непрерывно по волновому фронту, а вместо этого локализуется в небольших пучках (позже названных фотоны). Энергия фотона будет связана с его частотой (ν), через константу пропорциональности, известную как Постоянная Планка (час) или поочередно, используя длину волны (λ) и скорость света (с):
Е = hν = Нс / λ
или уравнение импульса: п = час / λ
νφ
Если, однако, есть избыток энергии, за пределами φВ фотоне избыточная энергия преобразуется в кинетическую энергию электрона:
КМаксимум = hν - φ
Максимальная кинетическая энергия возникает, когда электроны с наименьшей связью вырываются на свободу, а как быть с электронами с наименьшей связью? Те, в которых есть только достаточно энергии в фотоне, чтобы разбить его, но кинетическая энергия, которая приводит к нулю? настройка КМаксимум равен нулю для этого частота среза (νс), мы получаем:
νс = φ / час
или длина волны отсечки: λс = Нс / φ
После Эйнштейна
Что наиболее важно, фотоэлектрический эффект и теория фотонов, которую он вдохновил, разрушили классическую волновую теорию света. Хотя никто не мог отрицать, что свет вел себя как волна, после первой статьи Эйнштейна, нельзя отрицать, что он также был частицей.