Fotoelektrinis efektas

Wikimedia Commons

The fotoelektrinis efektas tyrimams buvo didelis iššūkisoptikapaskutinėje 1800-ųjų dalyje. Tai metė iššūkį klasikinė bangų teorija šviesos, kuri buvo to meto vyraujanti teorija. Tai buvo šios fizikos dilemos sprendimas, dėl kurio Einšteinas išpopuliarėjo fizikos bendruomenėje ir galiausiai pelnė jam 1921 m. Nobelio premiją.

Kas yra fotoelektrinis efektas?

Fizikos metraščiai

Kai šviesos šaltinis (arba, apskritai, elektromagnetinė spinduliuotė) patenka į metalinį paviršių, paviršius gali spinduliuoti elektronus. Tokiu būdu skleidžiami elektronai vadinami fotoelektronai (nors jie vis tiek yra tik elektronai). Tai pavaizduota paveikslėlyje dešinėje.

Fotoelektrinio efekto nustatymas

Kolektoriui suteikus neigiamą įtampos potencialą (juodoji dėžė paveikslėlyje), elektronams reikia daugiau energijos, kad užbaigtų kelionę ir pradėtų srovę. Taškas, kuriame jokie elektronai nepatenka į kolektorių, vadinamas sustabdyti potencialą V_s , ir gali būti naudojamas nustatyti maksimalią kinetinę energiją K_maks elektronų (kurie turi elektroninį krūvį ir ) naudojant šią lygtį:

K_maks = eV_s

Klasikinės bangos paaiškinimas

Darbo funkcija phiPhi

Iš šio klasikinio paaiškinimo kyla trys pagrindinės prognozės:

1. Spinduliuotės intensyvumas turi būti proporcingas susidariusiai didžiausiai kinetinei energijai.
2. Fotoelektrinis efektas turėtų atsirasti bet kokiai šviesai, nepriklausomai nuo dažnio ar bangos ilgio.
3. Nuo spinduliuotės kontakto su metalu iki pirminio fotoelektronų išsiskyrimo turėtų praeiti maždaug sekundės.

Eksperimento rezultatas

1. Šviesos šaltinio intensyvumas neturėjo įtakos maksimaliai fotoelektronų kinetinei energijai.
2. Žemiau tam tikro dažnio fotoelektrinis efektas visai nepasireiškia.
3. Didelio vėlavimo nėra (mažiau nei 10^-9s) tarp šviesos šaltinio įsijungimo ir pirmųjų fotoelektronų emisijos.

Kaip matote, šie trys rezultatai yra visiškai priešingi bangų teorijos prognozėms. Negana to, jie visi trys yra visiškai priešingi intuityviams. Kodėl žemo dažnio šviesa nesukeltų fotoelektrinio efekto, nes ji vis tiek neša energiją? Kaip fotoelektronai taip greitai išsiskiria? Ir, ko gero, įdomiausia, kodėl padidinus intensyvumą, elektronai neišsiskiria energingesni? Kodėl bangų teorija šiuo atveju taip visiškai žlunga, kai ji taip gerai veikia daugelyje kitų situacijų

Nuostabūs Einšteino metai

Albertas Einšteinas Fizikos metraščiai

Remdamiesi Maksas Plankas 's juodųjų kūno spindulių Einšteinas pasiūlė, kad spinduliuotės energija nėra nuolat paskirstoma bangos fronte, o yra lokalizuota mažuose pluoštuose (vėliau vadinama fotonai ). Fotono energija būtų susieta su jo dažniu ( n ), per proporcingumo konstantą, žinomą kaip Plancko konstanta ( h ), arba pakaitomis naudojant bangos ilgį ( l ) ir šviesos greitį ( c ):

IR = hν = hc / l

arba impulso lygtis: p = h / l

nf

Tačiau jei yra energijos perteklius, ne Phi , fotone perteklinė energija paverčiama elektrono kinetine energija:

K_maks = hν - Phi

Didžiausia kinetinė energija atsiranda tada, kai išsilaisvina mažiausiai glaudžiai sujungti elektronai, bet ką daryti su tvirčiausiai sujungtais elektronais; Tos, kuriose yra tiesiog fotone pakankamai energijos, kad jis atsilaisvintų, bet kinetinė energija, dėl kurios susidaro nulis? Nustatymas K_maks už tai lygus nuliui ribinis dažnis ( n_c ), mes gauname:

n_c = Phi / h

arba ribinis bangos ilgis: l_c = hc / Phi

Po Einšteino

Svarbiausia, kad fotoelektrinis efektas ir jo įkvėpta fotonų teorija sugriovė klasikinę šviesos bangų teoriją. Nors niekas negalėjo paneigti, kad šviesa elgėsi kaip banga, po pirmojo Einšteino darbo buvo neabejotina, kad tai taip pat buvo dalelė.