Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект представлял серьезную проблему для изучения оптики во второй половине XIX века. Это бросило вызов классической волновой теории света, которая была преобладающей теорией того времени. Именно решение этой физической дилеммы привело к тому, что Эйнштейн стал известен в физическом сообществе, что в конечном итоге принесло ему Нобелевскую премию 1921 года.

Что такое фотоэлектрический эффект?

Annalen der Physik

Когда источник света (или, в более общем смысле, электромагнитный излучение) падает на металлическую поверхность, поверхность может испускать электроны. Электроны, испускаемые таким образом, называются фотоэлектронами (хотя они по-прежнему остаются просто электронами). Это показано на изображении справа.

Настройка фотоэлектрического эффекта

Путем управления отрицательным потенциалом напряжения ( черный ящик на картинке) к коллектору, электронам требуется больше энергии, чтобы завершить путешествие и инициировать ток. Точка, в которой электроны не попадают в коллектор, называется тормозным потенциалом V s и может использоваться для определения максимальной кинетической энергии K max электронов (которые имеют электронный заряд e ), используя следующее уравнение:

K max = эВ s

Объяснение классической волны

Рабочая функция phiPhi

Из этого классического объяснения вытекают три основных прогноза:

  1. Интенсивность излучения должна имеют пропорциональную зависимость от результирующей максимальной кинетической энергии.
  2. Фотоэлектрический эффект должен возникать для любого света, независимо от частоты или длины волны.
  3. Должна быть задержка включения порядок секунд между контактом излучения с металлом и начальным выбросом фотоэлектронов.

Экспериментальный результат

  1. Интенсивность источника света не влияла на максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.
  2. Ниже определенной частоты фотоэлектрический эффекта не происходит вообще.
  3. Нет значительной задержки (менее 10 -9 с) между активацией источника света и испусканием первых фотоэлектронов .

Как вы можете заметить, эти три результата полностью противоположны предсказаниям волновой теории. И не только это, но все три совершенно нелогичны.. Почему низкочастотный свет не запускает фотоэлектрический эффект, если он по-прежнему несет энергию? Как фотоэлектроны так быстро высвобождаются? И, что, пожалуй, наиболее любопытно, почему добавление большей интенсивности не приводит к большему высвобождению энергичных электронов? Почему волновая теория так сильно терпит неудачу в этом случае, когда она так хорошо работает во многих других ситуациях

Чудесный год Эйнштейна

Альберт Эйнштейн Annalen der Physik

Основываясь на теории излучения черного тела Макса Планка, Эйнштейн предположил, что энергия излучения не распределяется непрерывно над волновым фронтом, но вместо этого локализуется в небольших пучках (позже называемых фотонами). Энергия фотона будет связана с его частотой ( ν ) через константу пропорциональности, известную как постоянная Планка ( h ) или, поочередно, используя длину волны ( λ ) и скорость света ( c ):

E = = hc / λ

или уравнение импульса: p = h / λ

νφ

Однако, если в фотоне есть избыточная энергия сверх φ , эта избыточная энергия преобразуется в кинетическую энергию электрона:

K max = φ

Максимальная кинетическая энергия возникает, когда наименее сильно связанные электроны вырываются на свободу, но как насчет наиболее сильно связанных электронов? Те, в которых достаточно энергии в фотоне, чтобы выбить его из строя, но кинетическая энергия, которая приводит к нулю? Установка Kmax равной нулю для этой частоты среза ( ν c ) получаем:

ν c = φ / h

или длина волны отсечки: λ c = hc / φ

После Эйнштейна

Наиболее важно то, что фотоэлектрический эффект и вдохновленная им теория фотонов сокрушили классическую волновую теорию света. Хотя никто не мог отрицать, что свет вел себя как волна, после первой статьи Эйнштейна было бесспорно, что это также была частица.

Оцените статью
recture.ru
Добавить комментарий