Fotoelektrik Etki ve Einstein'ın 1921 Nobel Ödülü

fotoelektrik etki çalışması için önemli bir zorluk yarattı optik 1800'lerin ikinci bölümünde. Meydan okudu klasik dalga teorisi zamanın hakim teorisi olan ışığın Einstein'ı fizik topluluğunda ön plana çıkaran ve sonuçta ona 1921 Nobel Ödülü'nü kazandıran bu fizik ikileminin çözümü oldu.

Annalen der Physik

Metalik bir yüzeyde bir ışık kaynağı (veya daha genel olarak elektromanyetik radyasyon) meydana geldiğinde, yüzey elektron yayabilir. Bu şekilde yayılan elektronlara fotoelektronlar (hala sadece elektron olmasına rağmen). Bu, sağdaki resimde gösterilmiştir.

Toplayıcıya negatif voltaj potansiyeli (resimdeki siyah kutu) vererek elektronların yolculuğu tamamlaması ve akımı başlatması daha fazla enerji gerektirir. Hiçbir elektronun toplayıcıya yapmadığı noktaya durma potansiyeli V_sve maksimum kinetik enerjiyi belirlemek için kullanılabilir K_maksimum (elektronik yükü olan elektronların e) aşağıdaki denklemi kullanarak:

K_maksimum = eV_s

Iwork işlevi phiPhi

Bu klasik açıklamadan üç ana tahmin geliyor:

1. Radyasyonun yoğunluğu, ortaya çıkan maksimum kinetik enerji ile orantılı bir ilişkiye sahip olmalıdır.
2. Fotoelektrik etki, frekans veya dalga boyuna bakılmaksızın herhangi bir ışık için ortaya çıkmalıdır.
3. Radyasyonun metalle teması ile fotoelektronların ilk salımı arasında saniye cinsinden bir gecikme olmalıdır.

1. Işık kaynağının yoğunluğunun fotoelektronların maksimum kinetik enerjisi üzerinde bir etkisi olmamıştır.
2. Belirli bir frekansın altında, fotoelektrik etki hiç oluşmaz.
3. Önemli bir gecikme yok (10'dan az^-9 s) ışık kaynağı aktivasyonu ve ilk fotoelektronların emisyonu arasında.

Anlayacağınız gibi, bu üç sonuç dalga teorisi tahminlerinin tam tersidir. Sadece bu da değil, üçü de tamamen karşı-sezgisel. Neden düşük frekanslı ışık hala enerji taşıdığından fotoelektrik etkiyi tetiklemiyor? Fotoelektronlar nasıl bu kadar hızlı salınır? Ve belki de en merakla, neden daha fazla yoğunluk eklemek daha enerjik elektron salınımlarına neden olmaz? Dalga teorisi, bu durumda başka birçok durumda çok iyi çalıştığında neden bu kadar başarısız oluyor?

Albert Einstein Annalen der Physik

İnşaa ediliyor Max Planck'ler siyah vücut radyasyonu teorisi, Einstein radyasyon enerjisinin dalga cephesine sürekli olarak dağıtılmamasını, bunun yerine küçük demetler halinde (daha sonra fotonlar). Fotonun enerjisi frekansı (ν) olarak bilinen orantı sabitiyle Planck sabiti (h) veya dönüşümlü olarak, dalga boyunu (λ) ve ışık hızı (c):

E = hv bağıntısı = hc / λ

veya momentum denklemi: p = h / λ

νφ

Bununla birlikte, aşırı enerji varsa, φ, fotonda, fazla enerji elektronun kinetik enerjisine dönüştürülür:

K_maksimum = hv bağıntısı - φ

Maksimum kinetik enerji, en az sıkı bağlanmış elektronlar serbest kaldığında ortaya çıkar, ama en sıkı bağlanmış olanlar ne olur; İçinde olanlar sadece fotonu gevşetmek için yeterli enerji, ama sıfırla sonuçlanan kinetik enerji? Ayar K_maksimum bunun için sıfıra eşit kesim frekansı (ν_c) alırız:

ν_c = φ / h

veya kesim dalga boyunu: λ_c = hc / φ

En önemlisi, fotoelektrik etki ve ilham verdiği foton teorisi, klasik dalga ışık teorisini ezdi. Hiç kimse ışığın bir dalga gibi davrandığını inkar edemese de, Einstein'ın ilk makalesinden sonra, aynı zamanda bir parçacık olduğu yadsınamazdı.