Photoelektrischer Effekt und Einsteins Nobelpreis von 1921

Das photoelektrischer Effekt stellte eine bedeutende Herausforderung für das Studium von Optik im letzten Teil des 19. Jahrhunderts. Es forderte die klassische Wellentheorie des Lichts, das war die vorherrschende Theorie der Zeit. Es war die Lösung für dieses Physik-Dilemma, die Einstein in der Physik-Community in den Vordergrund katapultierte und ihm schließlich den Nobelpreis von 1921 einbrachte.

Annalen der Physik

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

Durch Anlegen eines negativen Spannungspotentials (die schwarze Box im Bild) an den Kollektor wird mehr Energie benötigt, damit die Elektronen die Reise abschließen und den Strom einleiten können. Der Punkt, an dem keine Elektronen zum Kollektor gelangen, wird als bezeichnet

K._max = eV_s

Iwork Funktion 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 für jedes 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.

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^-9 s) zwischen der Lichtquellenaktivierung und der Emission der ersten Photoelektronen.

Wie Sie sehen können, sind diese drei Ergebnisse das genaue Gegenteil der wellentheoretischen Vorhersagen. Nicht nur das, aber sie sind alle drei völlig kontraintuitiv. Warum sollte niederfrequentes Licht den photoelektrischen Effekt nicht auslösen, da es immer noch Energie trägt? Wie setzen sich die Photoelektronen so schnell frei? Und, vielleicht am merkwürdigsten, warum führt das Hinzufügen von mehr Intensität nicht zu energetischeren Elektronenfreisetzungen? Warum scheitert die Wellentheorie in diesem Fall so sehr, wenn sie in so vielen anderen Situationen so gut funktioniert?

Albert Einstein Annalen der Physik

Aufbauend auf Max Planck's Schwarzkörperstrahlung Theoretisch schlug Einstein vor, dass Strahlungsenergie nicht kontinuierlich über die Wellenfront verteilt wird, sondern in kleinen Bündeln lokalisiert wird (später genannt) Photonen). Die Energie des Photons würde mit seiner Frequenz verbunden sein (ν) durch eine Proportionalitätskonstante, bekannt als Plancksche Konstante (h) oder alternativ unter Verwendung der Wellenlänge (λ) und die Lichtgeschwindigkeit (c):

E. = hν = hc / λ

oder die Impulsgleichung: p = h / λ

νφ

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

K._max = hν - φ

Die maximale kinetische Energie ergibt sich, wenn sich die am wenigsten fest gebundenen Elektronen lösen, aber was ist mit den am engsten gebundenen? Die, in denen es gibt gerade genug Energie im Photon, um es loszuwerden, aber die kinetische Energie, die zu Null führt? Rahmen K._max gleich Null dafür Grenzfrequenz (ν_c), wir bekommen:

ν_c = φ / h

oder die Grenzwellenlänge: λ_c = hc / φ

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 nicht zu leugnen, dass es sich auch um ein Teilchen handelte.