Valosähkötehosteet ja Einsteinin vuoden 1921 Nobel-palkinto

valosähköinen ilmiö aiheutti merkittävän haasteen optiikka 1800-luvun loppupuolella. Se haastoi klassisen aallon teoria valon, joka oli tuolloin vallitseva teoria. Se oli ratkaisu tähän fysiikan ongelmaan, joka nosti Einsteinin näkyväksi fysiikkayhteisössä ja ansaitsi lopulta hänelle vuoden 1921 Nobel-palkinnon.

Annalen der Physik

Kun valolähde (tai yleisemmin sähkömagneettinen säteily) tapahtuu metallipinnalle, pinta voi emittoida elektroneja. Tällä tavalla emittoituja elektroneja kutsutaan fotoelektroneja (vaikka ne ovat silti vain elektroneja). Tämä on esitetty oikealla olevassa kuvassa.

Antamalla negatiivinen jännitepotentiaali (kuvan musta laatikko) kollektorille, kuluu enemmän energiaa, että elektronit suorittavat matkan ja käynnistävät virran. Pistettä, jossa mikään elektroni ei saa sitä kollektoriin, kutsutaan potentiaalin pysäyttäminen V_s, ja sitä voidaan käyttää suurimman kineettisen energian määrittämiseen K_max elektroneista (joilla on elektroninen varaus) e) käyttämällä seuraavaa yhtälöä:

K_max = eV_s

Iwork-toiminto phiPhi

Tästä klassisesta selityksestä tulee kolme pääennustetta:

1. Säteilyn voimakkuuden tulisi olla suhteessa suhteessa saatuun suurimpaan kineettiseen energiaan.
2. Valosähkötehosteen tulisi tapahtua kaikille valoille taajuudesta tai aallonpituudesta riippumatta.
3. Säteilyn kosketuksen metalliin ja fotoelektronien ensimmäisen vapautumisen välillä tulisi olla sekunneissa viive.

1. Valonlähteen voimakkuudella ei ollut vaikutusta fotoelektronien suurimpaan kineettiseen energiaan.
2. Tietyn taajuuden alapuolella fotoelektrinen vaikutus ei esiinny ollenkaan.
3. Ei ole merkittävää viivettä (alle 10%)^-9 s) valonlähteen aktivoinnin ja ensimmäisten fotoelektronien säteilyn välillä.

Kuten voitte sanoa, nämä kolme tulosta ovat aivan päinvastainen kuin aaltoteorian ennusteet. Ei vain, mutta ne ovat kaikki kolme täysin intuitiivista. Miksi matalataajuinen valo ei laukaista valosähköä, koska se kuljettaa edelleen energiaa? Kuinka valoelektronit vapautuvat niin nopeasti? Ja kenties kummallisimmin, miksi enemmän intensiteetin lisääminen ei johda energisiin energian vapautumiseen elektronista? Miksi aaltoteoria epäonnistuu niin täydellisesti tässä tapauksessa, kun se toimii niin hyvin monissa muissa tilanteissa

Albert Einstein Annalen der Physik

Perustuu Max Planckn mustan kappaleen säteily teoriassa Einstein ehdotti, että säteilyenergiaa ei jakaudu jatkuvasti aallonrintamaan, vaan se sijaan lokalisoituu pieniin kimppuihin (joita kutsutaan myöhemmin fotonit). Fotonin energia liitetään sen taajuuteen (ν) suhteellisuusvakion kautta, joka tunnetaan nimellä Planckin vakio (h) tai vuorotellen käyttämällä aallonpituutta (λ) ja valon nopeus (C):

E = hν = hc / λ

tai momenttiyhtälö: p = h / λ

νφ

Jos energiaa on kuitenkin ylimääräistä, sen ulkopuolella φ, fotonissa ylimääräinen energia muunnetaan elektronin kineettiseksi energiaksi:

K_max = hν - φ

Suurin kineettinen energia syntyy, kun vähiten tiukasti sidotut elektronit vapautuvat, mutta entäkin tiukimmin sidotut elektronit; Ne, joissa on vain tarpeeksi energiaa fotonissa, jotta se löysää, mutta kineettinen energia, joka johtaa nollaan? asetus K_max yhtä nolla tästä rajataajuus (ν_C), saamme:

ν_C = φ / h

tai raja-aallonpituus: λ_C = hc / φ

Merkittävimmin, fotoelektrinen vaikutus ja sen inspiroima fotoniteoria puristivat klassisen valoteorian. Vaikka kukaan ei voinut kieltää sitä, että valo käyttäytyi kuin aalto, Einsteinin ensimmäisen paperin jälkeen oli kiistatonta, että se oli myös hiukkas.