Fotoelektrični učinek in Einsteinova Nobelova nagrada za leto 1921

The fotoelektrični učinek predstavljala velik izziv za preučevanje optika v zadnjem delu 1800-ih. Izpodbijala je klasična teorija valov svetlobe, ki je bila prevladujoča teorija časa. Rešitev te dileme fizike je Einsteina katapultirala v znamenitost v fizični skupnosti in mu na koncu prisodila Nobelovo nagrado leta 1921.

Annalen der Physik

Kadar svetlobni vir (ali bolj splošno elektromagnetno sevanje) naleti na kovinsko površino, lahko površina oddaja elektrone. Elektroni, ki se oddajajo na ta način, se imenujejo fotoelektroni (čeprav so še vedno samo elektroni). To je prikazano na sliki desno.

Z uporabo negativnega napetostnega potenciala (črna škatla na sliki) na zbiralnik potrebuje več energije, da elektroni dokončajo pot in sprožijo tok. Točka, ko noben elektron ne pride do kolektorja, se imenuje t zaustavitveni potencial V_s, in se lahko uporablja za določitev največje kinetične energije K_maks elektronov (ki imajo elektronski naboj e) z uporabo naslednje enačbe:

K_maks = eV_s

Iwork funkcija phiPhi

Iz te klasične razlage izhajajo tri glavne napovedi:

1. Intenzivnost sevanja mora biti sorazmerna s posledično največjo kinetično energijo.
2. Fotoelektrični učinek naj bi se pojavil pri kateri koli svetlobi, ne glede na frekvenco ali valovno dolžino.
3. Med stikom sevanja s kovino in začetnim sproščanjem fotoelektronov mora obstajati zaporedna sekunda.

1. Intenzivnost vira svetlobe ni vplivala na največjo kinetično energijo fotoelektronov.
2. Pod določeno frekvenco se fotoelektrični učinek sploh ne pojavi.
3. Ni pomembne zamude (manj kot 10^-9 s) med aktivacijo vira svetlobe in oddajanjem prvih fotoelektronov.

Kot lahko veste, so ti trije rezultati ravno nasprotje napovedim teorije valov. Pa ne samo to, vsi trije so popolnoma kontra intuitivni. Zakaj bi nizkofrekvenčna svetloba ne sprožila fotoelektričnega učinka, saj še vedno nosi energijo? Kako se fotoelektroni sprostijo tako hitro? In, kar je najbolj zanimivo, zakaj dodajanje večje intenzivnosti ne povzroči energičnejših sproščanj elektronov? Zakaj teorija valov v tem primeru ne uspe tako izredno, ko tako dobro deluje v toliko drugih situacijah

Albert Einstein Annalen der Physik

Gradimo naprej Max Plancks sevanje črnega telesa Teoretično je Einstein predlagal, da sevalna energija ne neprekinjeno razporeja po valovnem predelu, temveč je nameščena v majhnih snopih (kasneje imenovanih fotoni). Energija fotona bi bila povezana z njegovo frekvenco (ν), s konstanto sorazmernosti, znano kot Planckova stalnica (h) ali izmenično z uporabo valovne dolžine (λ) in hitrost svetlobe (c):

E = hν = hc / λ

ali enačba trenutka: str = h / λ

νφ

Če pa je odvečna energija, je tudi čez φ, v fotonu se presežna energija pretvori v kinetično energijo elektrona:

K_maks = hν - φ

Največja kinetična energija povzroči, ko se najmanj tesno vezani elektroni sprostijo, kaj pa najbolj tesno vezani; Tiste, v katerih je samo v fotonu dovolj energije, da se izgubi, a kinetična energija, ki ima za posledico nič? Nastavitev K_maks za to je enako nič frekvenca preseka (ν_c), dobimo:

ν_c = φ / h

ali mejna valovna dolžina: λ_c = hc / φ

Najpomembneje je, da sta fotoelektrični učinek in teorija fotonov, ki ju je navdihnila, zdrobila klasično valovno teorijo svetlobe. Čeprav nihče ni mogel zanikati, da se je svetloba obnašala kot val, je bilo po prvem Einsteinovem prispevku nedvomno, da je tudi delček.