Fysik

Einsteins tolkning för den fotoelektriska effekten


År 1905 föreslog Einstein en ny teori för ljus med den fotoelektriska effekten för att bevisa om hans idéer verkligen var korrekta.

Ursprungligen hade Planck begränsat begreppet energikvantisering till endast elektronerna i en svartkroppsvägg. För honom, när han utstrålade energi, spridde det sig genom rymden, precis som vågor spridit sig i vatten. Einstein föreslog i sin tur att energi skulle kvantifieras i koncentrerade paket som senare skulle kallas fotoner.

Einstein fokuserade sin uppmärksamhet på den corpuskulära formen där ljus släpps ut och absorberas, inte på vågformen när det sprider sig. Han hävdade att Plancks krav att energin från de elektromagnetiska vågorna som släpps ut från en källa är en multipel av hf antydde att genom att gå från ett nhf energitillstånd till ett tillstånd vars energi var (n-1) hf, källan skulle avge en diskret puls av elektromagnetisk strålning med hf.

Det antog initialt att detta energipaket skulle vara beläget i en liten rymdvolym och skulle förbli beläget där när det rörde sig bort från källan med hastighet c, ljusets hastighet.

Energin E i paketet, eller snarare till fotonen, är relaterad till frekvensen f enligt ekvationen:

I den fotoelektriska effekten absorberas en foton fullständigt av en elektron i fotokatoden. Således, när den släpps ut från metallytan, kommer den elektroniska kinetiska energin att ges av:

där:

hf = incident absorberad fotonenergi;

w = arbete som krävs för att ta bort elektron från metall.

Vissa elektroner är starkare bundna än andra, så att när det gäller den svagaste bindningen och ingen intern förlust kommer fotoelektronen att dyka upp med maximal kinetisk energi, Kmax. sålunda:

Där w0 är en karakteristisk energi hos metallen, kallad arbetsfunktionen, den minsta energi som krävs för att en elektron ska korsa metallytan och undkomma de attraktiva krafterna som fäster den till metallen.

Sedan Kmax= eV0, kan vi skriva om den fotoelektriska effektekvationen som:

Invändningen som Kmax Beroende på belysningens intensitet, överensstämmer fotonteorin fullt med de resultat som erhålls experimentellt: fördubbling av ljusintensiteten fördubblar helt enkelt antalet fotoner och fördubblar följaktligen intensiteten hos den elektriska strömmen, men detta förändrar inte hf-energin för varje foton. .

När det gäller förekomsten av en frekvenströskel elimineras denna idé lätt när den maximala kinetiska energin är noll:

Detta betyder att en foton med frekvens f0 Den har exakt den energi som behövs för att mata ut fotoelektroner och därmed ingen överskott av kinetisk energi.

Frånvaron av försening förklaras av det faktum att den erforderliga kraften levereras i koncentrerade förpackningar. I motsats till vad folk tror är det inte jämnt fördelat över ett stort område, eftersom om det är ljus som lyser på katoden kommer det att finnas åtminstone en foton som träffar den, som omedelbart absorberas av någon atom. och kommer att orsaka omedelbar utsläpp av en foton.

Slutligen säger Einsteins modell att en foton med frekvens f exakt har energin hf, inte multiplar av hf. Men det är uppenbart att om vi har att göra med n fotoner med frekvens f, kommer energin vid den frekvensen att vara nhf.