Der photoelektrische Effekt

Wikimedia Commons

Das photoelektrischer Effekt stellte eine große Herausforderung für das Studium darOptikin der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Es forderte die heraus Klassische Wellentheorie des Lichts, das war die vorherrschende Theorie der Zeit. Es war die Lösung dieses physikalischen Dilemmas, die Einstein in der Physik-Community an Bedeutung katapultierte und ihm schließlich 1921 den Nobelpreis einbrachte.

Was ist der photoelektrische Effekt?

Annalen der Physik

Wenn eine Lichtquelle (oder allgemeiner elektromagnetische Strahlung) auf eine metallische Oberfläche trifft, kann die Oberfläche Elektronen emittieren. Auf diese Weise emittierte Elektronen werden als bezeichnet Photoelektronen (obwohl sie immer noch nur Elektronen sind). Dies ist im Bild rechts dargestellt.

Einrichten des photoelektrischen Effekts

Durch Anlegen eines negativen Spannungspotentials (das schwarze Kästchen im Bild) an den Kollektor benötigen die Elektronen mehr Energie, um die Reise abzuschließen und den Strom zu initiieren. Der Punkt, an dem keine Elektronen zum Kollektor gelangen, wird als Stopppotential V_s , und kann zur Bestimmung der maximalen kinetischen Energie verwendet werden K_max der Elektronen (die elektronische Ladung haben und ) mit der folgenden Gleichung:

K_max = eV_s

Die klassische Wave-Erklärung

Austrittsarbeit phiPhi

Aus dieser klassischen Erklärung ergeben sich drei Hauptvorhersagen:

1. Die Intensität der Strahlung sollte in einem proportionalen Verhältnis zur resultierenden maximalen kinetischen Energie stehen.
2. Der photoelektrische Effekt sollte bei jedem Licht auftreten, unabhängig von Frequenz oder Wellenlänge.
3. Zwischen dem Kontakt der Strahlung mit dem Metall und der anfänglichen Freisetzung von Photoelektronen sollte eine Verzögerung in der Größenordnung von Sekunden liegen.

Das experimentelle Ergebnis

1. Die Intensität der Lichtquelle hatte keinen Einfluss auf die maximale kinetische Energie der Photoelektronen.
2. Unterhalb einer bestimmten Frequenz tritt der photoelektrische Effekt überhaupt nicht auf.
3. Es gibt keine signifikante Verzögerung (weniger als 10^-9s) zwischen der Aktivierung der Lichtquelle und der Emission der ersten Photoelektronen.

Wie Sie sehen können, sind diese drei Ergebnisse das genaue Gegenteil der Vorhersagen der Wellentheorie. Nicht nur das, sie sind alle drei völlig kontraintuitiv. Warum sollte niederfrequentes Licht den photoelektrischen Effekt nicht auslösen, da es doch Energie trägt? Wie werden die Photoelektronen so schnell freigesetzt? Und, vielleicht am merkwürdigsten, warum führt das Hinzufügen von mehr Intensität nicht zu energiereicheren Elektronenfreisetzungen? Warum versagt die Wellentheorie in diesem Fall so vollständig, wenn sie in so vielen anderen Situationen so gut funktioniert

Einsteins wunderbares Jahr

Albert Einstein Annalen der Physik

Aufbauend auf Max Planck 's Schwarzkörperstrahlung Theorie schlug Einstein vor, dass Strahlungsenergie nicht kontinuierlich über die Wellenfront verteilt wird, sondern in kleinen Bündeln (später genannt Photonen ). Die Energie des Photons wäre seiner Frequenz zugeordnet ( n ), durch eine Proportionalitätskonstante, die als bekannt ist Plancksche Konstante ( h ) oder alternativ unter Verwendung der Wellenlänge ( l ) und die Lichtgeschwindigkeit ( c ):

UND = hν = hc / l

oder die Impulsgleichung: p = h / l

nf

Wenn jedoch überschüssige Energie vorhanden ist, darüber hinaus Phi , im Photon wird die überschüssige Energie in die kinetische Energie des Elektrons umgewandelt:

K_max = hν - Phi

Die maximale kinetische Energie ergibt sich, wenn die am wenigsten fest gebundenen Elektronen freibrechen, aber was ist mit den am stärksten gebundenen; Die, in denen es ist nur genug Energie im Photon, um es loszuschlagen, aber die kinetische Energie, die zu Null führt? Einstellung K_max dafür gleich null Grenzfrequenz ( n_c ), wir bekommen:

n_c = Phi / h

oder die Grenzwellenlänge: l_c = hc / Phi

Nach Einstein

Am wichtigsten ist, dass der photoelektrische Effekt und die von ihm inspirierte Photonentheorie die klassische Wellentheorie des Lichts zerstörten. Obwohl niemand leugnen konnte, dass sich Licht wie eine Welle verhält, war es nach Einsteins erstem Artikel unbestreitbar, dass es auch ein Teilchen war.