Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και το βραβείο Νόμπελ του Αϊνστάιν το 1921

ο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αποτέλεσε σημαντική πρόκληση για τη μελέτη της οπτική στο τελευταίο τμήμα του 1800. Το αμφισβήτησε κλασική θεωρία κύματος του φωτός, που ήταν η επικρατούσα θεωρία της εποχής. Ήταν η λύση σε αυτό το δίλημμα φυσικής που προκάλεσε τον Αϊνστάιν σε εξέχουσα θέση στην κοινότητα φυσικής, κερδίζοντας τελικά το βραβείο Νόμπελ του 1921.

Annalen der Physik

Όταν μια φωτεινή πηγή (ή, γενικότερα, ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) επέρχεται σε μια μεταλλική επιφάνεια, η επιφάνεια μπορεί να εκπέμπει ηλεκτρόνια. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται με αυτόν τον τρόπο καλούνται φωτοηλεκτρικά (αν και είναι ακόμα μόνο ηλεκτρόνια). Αυτό απεικονίζεται στην εικόνα στα δεξιά.

Διανέμοντας ένα αρνητικό δυναμικό τάσης (το μαύρο κουτί στην εικόνα) στον συλλέκτη, χρειάζεται περισσότερη ενέργεια για τα ηλεκτρόνια να ολοκληρώσουν το ταξίδι και να ξεκινήσουν το ρεύμα. Το σημείο στο οποίο δεν φτάνουν τα ηλεκτρόνια στον συλλέκτη ονομάζεται

κ_{Μέγιστη} = eV_μικρό

Iwork λειτουργία phiPhi

Τρεις βασικές προβλέψεις προέρχονται από αυτή την κλασσική εξήγηση:

1. Η ένταση της ακτινοβολίας πρέπει να έχει αναλογική σχέση με την προκύπτουσα μέγιστη κινητική ενέργεια.
2. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο θα πρέπει να εμφανίζεται για οποιοδήποτε φως, ανεξάρτητα από τη συχνότητα ή το μήκος κύματος.
3. Πρέπει να υπάρξει καθυστέρηση στη σειρά δευτερολέπτων μεταξύ της επαφής της ακτινοβολίας με το μέταλλο και της αρχικής απελευθέρωσης φωτοηλεκτρονίων.

1. Η ένταση της πηγής φωτός δεν είχε καμία επίδραση στη μέγιστη κινητική ενέργεια των φωτοηλεκτρονίων.
2. Κάτω από μια ορισμένη συχνότητα, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δεν εμφανίζεται καθόλου.
3. Δεν υπάρχει σημαντική καθυστέρηση (λιγότερο από 10^-9 s) μεταξύ της ενεργοποίησης της πηγής φωτός και της εκπομπής των πρώτων φωτοηλεκτρονίων.

Όπως μπορείτε να πείτε, αυτά τα τρία αποτελέσματα είναι ακριβώς το αντίθετο των προβλέψεων της θεωρίας των κυμάτων. Όχι μόνο αυτό, αλλά και οι τρεις είναι εντελώς αντιληπτές. Γιατί το φως χαμηλής συχνότητας δεν ενεργοποιεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, αφού εξακολουθεί να μεταφέρει ενέργεια; Πώς απελευθερώνουν τα φωτοηλεκτρικά τόσο γρήγορα; Και, ίσως πιο περίεργα, γιατί η προσθήκη περισσότερης έντασης δεν έχει ως αποτέλεσμα περισσότερες ενεργειακές απελευθερώσεις ηλεκτρονίων; Γιατί η θεωρία των κυμάτων αποτυγχάνει τόσο εντελώς σε αυτή την περίπτωση όταν λειτουργεί τόσο καλά σε πολλές άλλες περιπτώσεις

Albert Einstein Annalen der Physik

Επικεντρωθείτε Max Planck'μικρό ακτινοβολία μαύρου σώματος Θεωρία, ο Αϊνστάιν πρότεινε ότι η ενέργεια ακτινοβολίας δεν διανέμεται συνεχώς πάνω στο κύμα, αλλά τοποθετείται σε μικρές δέσμες φωτόνια). Η ενέργεια του φωτονίου θα συσχετίζεται με τη συχνότητά του (ν), μέσω μιας σταθεράς αναλογικότητας γνωστής ως Η σταθερά του Planck (h), ή εναλλακτικά, χρησιμοποιώντας το μήκος κύματος (λ) και την ταχύτητα του φωτός (ντο):

μι = hν = hc / λ

ή την εξίσωση της ορμής: Π = h / λ

νφ

Εάν, ωστόσο, υπάρχει υπερβολική ενέργεια, πέραν αυτού φ, στο φωτόνιο, η πλεονάζουσα ενέργεια μετατρέπεται στην κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου:

κ_{Μέγιστη} = hν - φ

Η μέγιστη κινητική ενέργεια προκύπτει όταν τα λιγότερο σφιχτά συνδεδεμένα ηλεκτρόνια σπάσουν ελεύθερα, αλλά τι γίνεται με τα πιο στενά δεσμευμένα? Αυτά που υπάρχουν μόλις αρκετή ενέργεια στο φωτόνιο για να την χτυπήσει χαλαρή, αλλά η κινητική ενέργεια που έχει ως αποτέλεσμα το μηδέν; Σύνθεση κ_{Μέγιστη} ίσο με το μηδέν για αυτό συχνότητα αποκοπής (ν_ντο), παίρνουμε:

ν_ντο = φ / h

ή το μήκος κύματος αποκοπής: λ_ντο = hc / φ

Πιο σημαντικά, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και η θεωρία των φωτονίων που ενέπνευσαν, συνθλίβουν την κλασική θεωρία του φωτός. Αν και κανείς δεν μπορούσε να αρνηθεί ότι το φως συμπεριφέρθηκε ως κύμα, μετά την πρώτη εργασία του Αϊνστάιν, ήταν αναμφισβήτητο ότι ήταν επίσης ένα σωματίδιο.