Fotoelektrisk effekt og Einsteins Nobelpris fra 1921

De fotoelektrisk effekt utgjorde en betydelig utfordring for studiet av optikk i den siste delen av 1800-tallet. Det utfordret klassisk bølgeteori av lys, som var datidens rådende teori. Det var løsningen på dette fysikkdilemmaet som førte Einstein til prominens i fysikkmiljøet, og til slutt tjente ham Nobelprisen fra 1921.

Annalen der Physik

Når en lyskilde (eller mer generelt elektromagnetisk stråling) inntrenger på en metallisk overflate, kan overflaten avgi elektroner. Elektroner som slippes ut på denne måten kalles photoelectrons (selv om de fremdeles bare er elektroner). Dette er avbildet på bildet til høyre.

Ved å administrere et negativt spenningspotensial (den svarte boksen på bildet) til samleren, tar det mer energi for elektronene å fullføre reisen og sette i gang strømmen. Det punktet hvor ingen elektroner kommer til samleren kalles stoppe potensial V_s, og kan brukes til å bestemme den maksimale kinetiske energien K_max av elektronene (som har elektronisk ladning e) ved å bruke følgende ligning:

K_max = eV_s

Arbeidsfunksjon phiPhi

Tre hovedspådommer kommer fra denne klassiske forklaringen:

1. Strålingsintensiteten skal ha et proporsjonalt forhold til den resulterende maksimale kinetiske energien.
2. Den fotoelektriske effekten skal skje for noe lys, uavhengig av frekvens eller bølgelengde.
3. Det bør være en forsinkelse i sekunder, mellom strålingens kontakt med metallet og den første frigjøringen av fotoelektroner.

1. Intensiteten til lyskilden hadde ingen innvirkning på den maksimale kinetiske energien til fotoelektronene.
2. Under en viss frekvens forekommer ikke den fotoelektriske effekten i det hele tatt.
3. Det er ingen betydelig forsinkelse (mindre enn 10^-9 s) mellom lyskildeaktivering og utslipp av de første fotoelektronene.

Som du kan si, er disse tre resultatene det motsatte av bølgeteoripedikasjonene. Ikke bare det, men de er alle tre fullstendig intuitive. Hvorfor ville lavfrekvent lys ikke utløse den fotoelektriske effekten, siden det fremdeles bærer energi? Hvordan slipper fotoelektronene så raskt? Og kanskje mest nysgjerrig, hvorfor resulterer det ikke i mer energiske elektronutgivelser å legge til mer intensitet? Hvorfor svikter bølgeteorien så fullstendig i dette tilfellet når den fungerer så bra i så mange andre situasjoner

Albert Einstein Annalen der Physik

Bygger på Max Planck's blackbody-stråling teori foreslo Einstein at strålingsenergi ikke kontinuerlig distribueres over bølgefronten, men i stedet er lokalisert i små bunter (senere kalt fotoner). Fotonens energi vil være assosiert med frekvensen (ν), gjennom en proporsjonalitetskonstant kjent som Plancks konstante (h) eller vekselvis ved hjelp av bølgelengden (λ) og lysets hastighet (c):

E = hν = hc / λ

eller momentumligningen: p = h / λ

νφ

Hvis det imidlertid er overflødig energi, utover φ, i fotonet, blir overskuddsenergien konvertert til elektronens kinetiske energi:

K_max = hν - φ

Den maksimale kinetiske energien blir resultatet når de minst tett bundne elektronene går løs, men hva med de mest tett bundne; De der det er bare nok energi i fotonet til å slå det løs, men den kinetiske energien som resulterer i null? Innstilling K_max lik null for dette avskjæringsfrekvens (ν_c), vi får:

ν_c = φ / h

eller avskjæringsbølgelengden: λ_c = hc / φ

Mest betydelig knuste den fotoelektriske effekten, og fotonteorien den inspirerte, den klassiske bølgeteorien om lys. Selv om ingen kunne benekte at lys oppførte seg som en bølge, etter Einsteins første papir, var det ubestridelig at det også var en partikkel.