Фотоелектрични ефекат и Ајнштајнова Нобелова награда за 1921. годину

Тхе фотоелектрични ефекат представљао је значајан изазов за проучавање оптика у последњем делу 1800-их. То је изазвало проблем теорија класичне таласа светлости, што је била преовлађујућа теорија времена. Било је решење ове дилеме из физике која је катапултирала Еинстеина на истакнуто место у физичкој заједници, чиме је на крају добио Нобелову награду 1921. године.

Аннален дер Пхисик

Када извор светлости (или опћенито, електромагнетно зрачење) налети на металну површину, површина може да емитује електроне. Називају се електрони који се емитују на овај начин фотоелектрони (мада су и даље само електрони). То је приказано на слици десно.

Давањем негативног напонског потенцијала (црна кутија на слици) на колектор, потребно је више енергије да електрони заврше пут и покрену струју. Тачка у којој ниједан електрон не доспе до колектора назива се зауставни потенцијал В_с, и може се користити за одређивање максималне кинетичке енергије К_мак електрона (који имају електронски набој е) користећи следећу једначину:

К_мак = еВ_с

Функција фифи

Три главна предвиђања произилазе из овог класичног објашњења:

1. Интензитет зрачења треба да буде пропорционалан односу на резултирајућу максималну кинетичку енергију.
2. Фотоелектрични ефекат би се требао појавити за свако свјетло, без обзира на фреквенцију или таласну дужину.
3. Требало би да дође до одлагања редоследа секунди између контакта зрачења са металом и почетног ослобађања фотоелектрона.

1. Интензитет извора светлости није имао утицаја на максималну кинетичку енергију фотоелектрона.
2. Испод одређене фреквенције фотоелектрични ефекат се уопште не појављује.
3. Нема значајног кашњења (мање од 10^-9 с) између активирања извора светлости и емисије првих фотоелектрона.

Као што можете рећи, ова три резултата су потпуно супротна предвиђањима теорије таласа. И не само то, већ су сва тројица потпуно контра интуитивна. Зашто светлост ниске фреквенције не покреће фотоелектрични ефекат, јер још увек носи енергију? Како се фотоелектрони тако брзо ослобађају? И, што је најзанимљивије, зашто додавање већег интензитета не резултира енергичнијим ослобађањем електрона? Зашто теорија таласа у овом случају не успијева тако крајње, ако тако добро функционише у многим другим ситуацијама

Алберт Ајнштајн Аннален дер Пхисик

Градимо даље Мак Планцкс зрачење црних тела теорија, Ајнштајн је предложио да се енергија зрачења не расподељује континуирано преко таласне фронте, већ се уместо тога локализује у малим сноповима (касније названим фотони). Енергија фотона била би повезана са његовом фреквенцијом (ν), путем константе пропорционалности познате као Планцкова константа (х), или наизменично, користећи таласну дужину (λ) и брзина светлости (ц):

Е = хν = хц / λ

или једначина момента: п = х / λ

νφ

Ако, међутим, има вишка енергије φ, у фотону се вишак енергије претвара у кинетичку енергију електрона:

К_мак = хν - φ

Максимална кинетичка енергија резултира када се најмање чврсто спојени електрони ослободе, али шта је са најјаче везаним; Оних у којима има само довољно енергије у фотону да се изгуби, али кинетичка енергија која резултира нулом? Подешавање К_мак једнака нули за ово фреквенција искључивања (ν_ц), добијамо:

ν_ц = φ / х

или таласна дужина пресека: λ_ц = хц / φ

Најзначајније, фотоелектрични ефекат и теорија фотона које је инспирисала су срушили класичну таласну теорију светлости. Иако нико није могао порећи да се светлост понашала као талас, након Аинстеиновог првог рада, неспорно је било да је и она честица.