Effetto fotoelettrico e premio Nobel Einstein del 1921

Il effetto fotoelettrico ha rappresentato una sfida significativa per lo studio di ottica nell'ultima parte del 1800. Ha sfidato il teoria delle onde classiche di luce, che era la teoria prevalente del tempo. Fu la soluzione a questo dilemma della fisica che catapultò Einstein in una posizione di rilievo nella comunità della fisica, ottenendo infine il premio Nobel del 1921.

Annalen der Physik

Quando una fonte di luce (o, più in generale, radiazione elettromagnetica) è incidente su una superficie metallica, la superficie può emettere elettroni. Gli elettroni emessi in questo modo sono chiamati fotoelettroni (anche se sono ancora solo elettroni). Questo è raffigurato nell'immagine a destra.

Amministrando un potenziale di tensione negativa (la scatola nera nella foto) al collettore, ci vuole più energia per gli elettroni per completare il viaggio e iniziare la corrente. Il punto in cui nessun elettrone arriva al collettore è chiamato

K_max = eV_S

Funzione Ii phiPhi

Tre previsioni principali derivano da questa spiegazione classica:

1. L'intensità della radiazione dovrebbe avere una relazione proporzionale con l'energia cinetica massima risultante.
2. L'effetto fotoelettrico dovrebbe verificarsi per qualsiasi luce, indipendentemente dalla frequenza o dalla lunghezza d'onda.
3. Dovrebbe esserci un ritardo nell'ordine dei secondi tra il contatto della radiazione con il metallo e il rilascio iniziale di fotoelettroni.

1. L'intensità della sorgente luminosa non ha avuto alcun effetto sulla massima energia cinetica dei fotoelettroni.
2. Al di sotto di una certa frequenza, l'effetto fotoelettrico non si verifica affatto.
3. Non ci sono ritardi significativi (meno di 10^-9 s) tra l'attivazione della sorgente luminosa e l'emissione dei primi fotoelettroni.

Come puoi dire, questi tre risultati sono l'esatto opposto delle previsioni della teoria delle onde. Non solo, ma sono tutti e tre completamente controintuitivi. Perché la luce a bassa frequenza non attiva l'effetto fotoelettrico, poiché trasporta ancora energia? Come si liberano i fotoelettroni così rapidamente? E, forse più curiosamente, perché l'aggiunta di più intensità non provoca rilasci di elettroni più energici? Perché la teoria delle onde fallisce così totalmente in questo caso quando funziona così bene in così tante altre situazioni

Albert Einstein Annalen der Physik

Costruire su Max Planck'S radiazione di corpo nero teoria, Einstein ha proposto che l'energia delle radiazioni non sia continuamente distribuita sul fronte d'onda, ma sia invece localizzata in piccoli fasci (in seguito chiamati fotoni). L'energia del fotone sarebbe associata alla sua frequenza (ν), attraverso una costante di proporzionalità nota come La costante di Planck (h) o alternativamente, utilizzando la lunghezza d'onda (λ) e la velocità della luce (c):

E = hn = hc / λ

o l'equazione del momento: p = h / λ

νφ

Se, tuttavia, c'è energia in eccesso, oltre φ, nel fotone, l'energia in eccesso viene convertita in energia cinetica dell'elettrone:

K_max = hn - φ

La massima energia cinetica si verifica quando gli elettroni meno strettamente legati si liberano, ma che dire di quelli più strettamente legati; Quelli in cui c'è appena abbastanza energia nel fotone per liberarlo, ma l'energia cinetica che risulta in zero? Ambientazione K_max uguale a zero per questo frequenza di taglio (ν_c), noi abbiamo:

ν_c = φ / h

o la lunghezza d'onda di taglio: λ_c = hc / φ

Più significativamente, l'effetto fotoelettrico e la teoria dei fotoni che ha ispirato hanno schiacciato la teoria delle onde classiche della luce. Sebbene nessuno potesse negare che la luce si comportasse come un'onda, dopo il primo articolo di Einstein, era innegabile che fosse anche una particella.