Het foto-elektrisch effect

Wikimedia Commons

De fotoëlektrisch effect vormde een belangrijke uitdaging voor de studie vanoptiekin het laatste deel van de 19e eeuw. Het daagde de klassieke golftheorie van licht, wat de heersende theorie van die tijd was. Het was de oplossing voor dit natuurkundige dilemma waardoor Einstein bekendheid kreeg in de natuurkundegemeenschap, wat hem uiteindelijk de Nobelprijs van 1921 opleverde.

Wat is het foto-elektrisch effect?

Annalen van de natuurkunde

Wanneer een lichtbron (of, meer in het algemeen, elektromagnetische straling) op een metalen oppervlak valt, kan het oppervlak elektronen uitzenden. Elektronen die op deze manier worden uitgezonden, worden foto-elektronen (hoewel het nog steeds gewoon elektronen zijn). Dit is afgebeeld in de afbeelding rechts.

Het foto-elektrisch effect instellen

Door een negatieve spanningspotentiaal (de zwarte doos in de afbeelding) aan de collector toe te dienen, kost het de elektronen meer energie om de reis te voltooien en de stroom te starten. Het punt waarop geen elektronen de collector bereiken, wordt het genoemd stoppotentiaal V_s , en kan worden gebruikt om de maximale kinetische energie te bepalen K_max van de elektronen (die elektronische lading hebben) en ) door de volgende vergelijking te gebruiken:

K_max = eV_s

De klassieke golfverklaring

Werkfunctie phiPhi

Drie belangrijke voorspellingen komen uit deze klassieke verklaring:

1. De intensiteit van de straling moet een evenredig verband hebben met de resulterende maximale kinetische energie.
2. Het foto-elektrisch effect zou voor elk licht moeten optreden, ongeacht de frequentie of golflengte.
3. Er moet een vertraging van enkele seconden zijn tussen het contact van de straling met het metaal en de eerste afgifte van foto-elektronen.

Het experimentele resultaat

1. De intensiteit van de lichtbron had geen effect op de maximale kinetische energie van de foto-elektronen.
2. Beneden een bepaalde frequentie treedt het foto-elektrisch effect helemaal niet op.
3. Er is geen significante vertraging (minder dan 10^-9s) tussen de activering van de lichtbron en de emissie van de eerste foto-elektronen.

Zoals je kunt zien, zijn deze drie resultaten precies het tegenovergestelde van de voorspellingen van de golftheorie. Niet alleen dat, maar ze zijn alle drie volledig contra-intuïtief. Waarom zou laagfrequent licht het foto-elektrische effect niet activeren, aangezien het nog steeds energie draagt? Hoe komen de foto-elektronen zo snel vrij? En, misschien wel het meest merkwaardige, waarom leidt het toevoegen van meer intensiteit niet tot meer energetische elektronenafgiften? Waarom faalt de golftheorie zo volkomen in dit geval als het zo goed werkt in zoveel andere situaties?

Einsteins wonderbaarlijke jaar

Albert Einstein Annalen van de natuurkunde

Voortbouwen op Max Planck 's blackbody straling theorie stelde Einstein voor dat stralingsenergie niet continu over het golffront wordt verdeeld, maar in plaats daarvan wordt gelokaliseerd in kleine bundels (later genoemd fotonen ). De energie van het foton zou worden geassocieerd met zijn frequentie ( n ), door middel van een evenredigheidsconstante die bekend staat als constante van Planck ( h ), of als alternatief, met behulp van de golflengte ( ik ) en de lichtsnelheid ( c ):

EN = h = hc / ik

of de impulsvergelijking: p = h / ik

nf

Als er echter overtollige energie is, buiten Phi , in het foton wordt de overtollige energie omgezet in de kinetische energie van het elektron:

K_max = h - Phi

De maximale kinetische energie ontstaat wanneer de minst strak gebonden elektronen loskomen, maar hoe zit het met de meest strak gebonden elektronen; Degene waarin er is alleen maar genoeg energie in het foton om het los te slaan, maar de kinetische energie die resulteert in nul? Instelling K_max hiervoor gelijk aan nul afgesneden frequentie ( n_c ), we krijgen:

n_c = Phi / h

of de afsnijgolflengte: ik_c = hc / Phi

Na Einstein

Het belangrijkste was dat het foto-elektrische effect, en de fotonentheorie die het inspireerde, de klassieke golftheorie van licht verpletterde. Hoewel niemand kon ontkennen dat licht zich als een golf gedroeg, was het na Einsteins eerste artikel onmiskenbaar dat het ook een deeltje was.