אפקט פוטואלקטרי ופרס נובל של איינשטיין מ -1921

ה אפקט פוטואלקטרי הציב אתגר משמעותי במחקר של אופטיקה בחלק האחרון של שנות ה- 1800. זה אתגר את תורת הגלים הקלאסית האור, שהיה התיאוריה הרווחת באותה תקופה. זה היה הפיתרון לדילמת הפיזיקה הזו שהביא את איינשטיין לבולטות בקהילת הפיזיקה, ובסופו של דבר זיכה אותו בפרס נובל משנת 1921.

אנאלן דר פיזיק

כאשר מקור אור (או באופן כללי יותר קרינה אלקטרומגנטית) מתרחש על משטח מתכתי, המשטח יכול לפלוט אלקטרונים. אלקטרונים הנפלטים בצורה זו נקראים פוטואלקטרונים (למרות שהם עדיין רק אלקטרונים). זה מתואר בתמונה מימין.

על ידי מתן פוטנציאל מתח שלילי (הקופסה השחורה בתמונה) לקולט, דרושה אנרגיה רבה יותר עבור האלקטרונים להשלים את המסע וליזום את הזרם. הנקודה בה אף אלקטרונים לא מגיעים לאספן נקראת עצירת פוטנציאל V_s, וניתן להשתמש בהן כדי לקבוע את האנרגיה הקינטית המרבית ק_{מקסימום} של האלקטרונים (שיש להם טעינה אלקטרונית ה) באמצעות המשוואה הבאה:

ק_{מקסימום} = eV_s

פונקציה של Iwork phiPhi

שלוש תחזיות עיקריות מקורן בהסבר הקלאסי הזה:

1. עוצמת הקרינה צריכה להיות ביחס פרופורציונלי עם האנרגיה הקינטית המרבית המתקבלת.
instagram viewer
2. האפקט הפוטואלקטרי צריך להתרחש בכל אור, ללא קשר לתדר או אורך גל.
3. אמור להיות עיכוב בסדר גודל של שניות בין מגע הקרינה למתכת לשחרור הראשוני של הפוטואלקטרונים.

1. לעוצמת מקור האור לא הייתה השפעה על האנרגיה הקינטית המרבית של הפוטואלקטרונים.
2. מתחת לתדר מסוים, ההשפעה הפוטואלקטרית אינה מתרחשת כלל.
3. אין עיכוב משמעותי (פחות מעשרה^-9 s) בין הפעלת מקור האור לפליטה של ​​הפוטואלקטרונים הראשונים.

כפי שאתה יכול לדעת, שלוש התוצאות הללו הן ההיפך הגמור מהתחזיות של תורת הגלים. לא רק זה, אלא שכולן שלוש לחלוטין נגד אינטואיטיביות. מדוע אור בתדר נמוך לא יפעיל את האפקט הפוטואלקטרי, מכיוון שהוא עדיין נושא אנרגיה? איך הפוטואלקטרונים משתחררים כל כך מהר? ואולי באופן הכי מוזר, מדוע הוספת עוצמה רבה יותר לא גורמת לשחרור אלקטרונים אנרגטי יותר? מדוע תיאוריית הגלים נכשלה בצורה כה מוחלטת במקרה זה כשהיא עובדת כל כך טוב בכל כך הרבה סיטואציות אחרות

אלברט איינשטיין אנאלן דר פיזיק

בונה על מקס פלאנקזה קרינת גוף שחור התיאוריה, איינשטיין הציע כי אנרגיית הקרינה אינה מופצת ברציפות על פני הגל, אלא היא ממוקמת בצרורות קטנות (נקראו לימים פוטונים). האנרגיה של הפוטון תהיה קשורה לתדר שלו (ν), דרך קבוע מידתיות המכונה פלאנק קבוע (ח), או לסירוגין, באמצעות אורך הגל (λ) ומהירות האור (ג):

ה = hν = hc / λ

או משוואת המומנטום: ע = ח / λ

νφ

עם זאת, אם יש עודף אנרגיה, מעבר φ, בפוטון, עודף האנרגיה מומר לאנרגיה הקינטית של האלקטרון:

ק_{מקסימום} = hν - φ

האנרגיה הקינטית המרבית נובעת כאשר האלקטרונים הכי פחות קשורים משתחררים, אבל מה עם האלקטרונים הכי קשורים; אלה שיש סתם מספיק אנרגיה בפוטון בכדי לשחרר אותו, אבל האנרגיה הקינטית שמביאה לאפס? הגדרה ק_{מקסימום} שווה לאפס בשביל זה תדר החיתוך (ν_ג), אנחנו מקבלים:

ν_ג = φ / ח

או אורך הגל המנתק: λ_ג = hc / φ

באופן המשמעותי ביותר, ההשפעה הפוטואלקטרית ותורת הפוטונים שהעניקה השראה, ריסקו את תורת הגלים הקלאסית של האור. אף על פי שאיש לא יכול היה להכחיש שהאור התנהג כגל, אחרי המאמר הראשון של איינשטיין, לא ניתן היה להכחיש שהוא גם חלקיק.