Foto-elektriese effek en die Nobel-prys van Einstein uit 1921 - Info - 2022
Die foto-elektriese effek het 'n belangrike uitdaging vir die bestudering van optika in die laaste gedeelte van die 1800's gestel. Dit het die klassieke golfteorie van lig, wat die heersende teorie van die tyd was. Dit was die oplossing vir hierdie fisika-dilemma wat Einstein in die fisika-gemeenskap prominent gemaak het en uiteindelik die Nobelprys vir 1921 verdien het.
Wat is die foto-elektriese effek?
Wanneer 'n ligbron (of meer algemeen elektromagnetiese straling) op 'n metaaloppervlak voorkom, kan die oppervlak elektrone uitstraal. Elektrone wat op hierdie manier vrygestel word, word genoem foto-elektrone (alhoewel dit steeds net elektrone is). Dit word in die prentjie regs voorgestel.
Stel die foto-elektriese effek op
Deur 'n negatiewe spanningspotensiaal (die swart blokkie op die foto) aan die versamelaar toe te dien, neem dit meer energie vir die elektrone om die rit te voltooi en die stroom te inisieer. Die punt waar geen elektrone by die versamelaar uitkom nie, word die stoppotensiaal Vs, en kan gebruik word om die maksimum kinetiese energie te bepaal KMax van die elektrone (wat elektroniese lading het e) deur die volgende vergelyking te gebruik:
Die Klassieke Golfverduideliking
Drie hoofvoorspellings kom uit hierdie klassieke verklaring:
Die intensiteit van die bestraling moet 'n eweredige verhouding hê met die gevolglike maksimum kinetiese energie.
Die foto-elektriese effek moet voorkom vir enige lig, ongeag frekwensie of golflengte.
Daar moet 'n vertraging wees in die volgorde van sekondes tussen die kontak met die metaal en die aanvanklike vrystelling van foto-elektrone.
Die eksperimentele resultaat
Die intensiteit van die ligbron het geen invloed gehad op die maksimum kinetiese energie van die foto-elektrone nie.
Onder 'n sekere frekwensie kom die foto-elektriese effek glad nie voor nie.
Daar is geen noemenswaardige vertraging nie (minder as 10-9 s) tussen die ligbronaktivering en die emissie van die eerste foto-elektrone.
Soos u kan sien, is hierdie drie resultate presies die teenoorgestelde van die voorspelling van die golfteorie. Nie net dit nie, maar hulle is al drie heeltemal teen-intuïtief. Waarom sou lae-frekwensie-lig nie die foto-elektriese effek veroorsaak nie, aangesien dit nog steeds energie dra? Hoe word die foto-elektrone so vinnig vrygestel? En, miskien die vreemdste, waarom lei die toevoeging van meer intensiteit nie tot meer energieke elektronvrystellings nie? Waarom misluk die golfteorie so volledig in hierdie geval as dit in so baie ander situasies so goed werk?
Einstein se wonderlike jaar
Albert Einstein Annalen der Physik
Na aanleiding van Max Planck se swartliggaampie-teorie het Einstein voorgestel dat stralingsenergie nie voortdurend oor die golffront versprei word nie, maar eerder in klein bondels (later fotone genoem) gelokaliseer word. Die foton se energie word geassosieer met die frekwensie daarvan (ν), deur middel van 'n eweredigheidskonstante bekend as Planck is konstant (h), of afwisselend met behulp van die golflengte (λ) en die spoed van lig (c):
of die momentumvergelyking: p = h / λ
As daar egter oortollige energie is, verder φ, in die foton word die oortollige energie omgeskakel in die kinetiese energie van die elektron:
Die maksimum kinetiese energie is die resultaat as die elektrisiteit wat die minste aanmekaar gebind is, breek, maar wat van die sterkste gebonde elektrone; Die mense waarin daar is net genoeg energie in die foton om dit los te maak, maar die kinetiese energie wat nul tot gevolg het? omgewing KMax hiervoor gelyk aan nul afsnyfrekwensie (νc), ons kry:
of die afsny golflengte: λc = hc / φ
Die belangrikste is dat die foto-elektriese effek, en die fotonteorie wat dit geïnspireer het, die klassieke golfteorie van lig verpletter het. Alhoewel niemand kon ontken dat die lig soos 'n golf gedra het nie, was dit volgens Einstein se eerste koerant onmiskenbaar dat dit ook 'n deeltjie was.