Foto-elektrisch effect en Einstein's Nobelprijs van 1921

De fotoëlektrisch effect vormde een grote uitdaging voor de studie van optiek in het laatste deel van de 19e eeuw. Het daagde de klassieke golftheorie van licht, dat was de heersende theorie van de tijd. Het was de oplossing voor dit natuurkundige dilemma dat Einstein katapulteerde naar een prominente plaats in de natuurkundegemeenschap en hem uiteindelijk de Nobelprijs van 1921 opleverde.

Annalen der Physik

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

Door een negatief spanningspotentiaal (de zwarte doos op de foto) toe te dienen aan de collector, kost het meer energie voor de elektronen om de reis te voltooien en de stroom te initiëren. Het punt waarop geen elektronen de collector bereiken, wordt de genoemd

K_max = eV_s

Iwork-functie phiPhi

Drie belangrijke voorspellingen komen uit deze klassieke uitleg:

1. De intensiteit van de straling moet in verhouding staan ​​tot de resulterende maximale kinetische energie.
2. Het foto-elektrische effect moet bij elk licht optreden, ongeacht frequentie of golflengte.
3. Er zou een vertraging moeten zijn in de volgorde van seconden tussen het contact van de straling met het metaal en de eerste vrijgave van foto-elektronen.

1. De intensiteit van de lichtbron had geen effect op de maximale kinetische energie van de foto-elektronen.
2. Onder een bepaalde frequentie treedt het foto-elektrisch effect helemaal niet op.
3. Er is geen significante vertraging (minder dan 10^-9 s) 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-elektrisch effect niet activeren, omdat 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 elektronenversies? Waarom faalt de golftheorie in dit geval zo volkomen als het in zoveel andere situaties zo goed werkt

Albert Einstein Annalen der Physik

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 fotonen). De energie van het foton wordt geassocieerd met de frequentie (ν), via een evenredigheidsconstante die bekend staat als Planck is constant (h), of afwisselend met behulp van de golflengte (λ) en de lichtsnelheid (c):

E = hν = hc / λ

of de momentumvergelijking: p = h / λ

νφ

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

K_max = hν - φ

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

ν_c = φ / h

of de cutoff golflengte: λ_c = hc / φ

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