Efekt fotoelektryczny: Jeden wzór dowody na to, że światło jest cząsteczkami

Eksperyment, który zrównoważał klasyczną teorię światła

Zamknij światło na czystej powierzchni metali i pod odpowiednimi warunkami elektrony odchylają się -- efekt fotoelektryczny, pierwszy obserwowany przez Heinricha Hertzego w 1887 roku i systematycznie badany przez Filipa Lenarda około 1902 roku. Klasyczna teoria falowa przewidziała jasno: fala światła nosi energię proporcjonalną do jej intensywności (jasności), więc słabe czerwone światło, które zostanie włączone wystarczająco długo, powinno w końcu dostarczyć wystarczającą sumaryczną energię do wydostawienia elektronu z powierzchni, a jasne światło dowolnego koloru powinno zawsze to zrobić. Obie przewidywania nie przeżyły kontaktu z rzeczywistymi danymi.

Co eksperyment rzeczywiście pokazał

Dwa wyniki nie pasowały do obrazu falowego. Po pierwsze, poniżej pewnej prógowej częstotliwości zależnej od metali, nie jest wydzielone żadne elektrony, niezależnie od gęstości światła -- zmień słabe świetlne zdroje typu wioślowego na intensywne i nadal nic się nie stanie, jeśli sama częstotliwość jest za niska; nie ma opóźnienia-za-następne-wydzielanie, wydzielanie prostym speaktem już nigdy nie zaczyna. Po drugie, powyżej prógowego poziomu elektrony wydzielają się natychmiast (w nanosekundach, a nie w czasie budowy mierzonym dla słabej światła, który obraz falowy by przewidywał), a ich maksymalna energia kinetyczna zależy tylko od częstotliwości światła, wzrasta liniowo z nią -- zwiększenie gęstości światła przy ustalonej częstotliwości wydzielone jest więcej elektronów na sekundę, ale nie sprawia, że każdy indywidualny elektron wydzielany jest szybciej.

Wyjaśnienie Einsteina (1905)

Einstejn rozwiązał to w swoim pracowniku z 1905 roku, postulując, że światło jest kwalifikowane do paczek — fotoniczki — każda przekazują energię E = h*f, proporcjonalną jedynie do częstotliwości, nie natężenia. Zdarzenie fotoelektryczne to przekaz całego spektakułu energii przez jedną fotoniczkę do jednego elektronu w pojedynczym kolizji. Elektron używa części tej energii na ucieczkę z powierzchni metali (stała koszta energetyczna nazywana funkcją pracy, φ, specyficzna dla każdego metalu) i zachowuje resztę jako kinetyczną energię:

KE_max = h*f - φ h stała Plancka (6,626e-34 J*s) f częstotliwość światła napotkanej φ funkcja pracy metali (minimalna energia potrzebna do uwolnienia elektrona) KE_max maksymalna kinetyczna energia wyelastycznionego elektronu Ta jedna równość wyjaśnia oba zaskakujące obserwacje jednocześnie. Jeśli h*f jest mniejsze niż φ, żadna pojedyncza fotoniczka nie przekazuje wystarczającej energii do uwolnienia elektronu, nawet jeśli przybywa ich wiele na sekundę — dlatego istnieje graniczna częstotliwość f0 = φ/h, niezależna od natężenia. Jeśli h*f przekracza φ, każda wchwycona fotoniczka uwolni jeden elektron prawie natychmiastowo, a reszta energii h*f - φ staje się kinetyczną energią tego elektrona — dlatego KE_max rośnie liniowo z częstotliwością i jest całkowicie niewrażliwa na natężenie. Natężenie jedynie ustala, ile fotoniczek przybywa na sekundę, a więc ile elektronów jest wyelastycznionych na sekundę (przepływ fotonowy), nigdy nie jak energiczny każdy z nich jest.

KE_max = h*f - phi

h      Planck's constant  (6.626e-34 J*s)
f      frequency of the incident light
phi    work function of the metal (minimum energy to free an electron)
KE_max maximum kinetic energy of an ejected electron

Dlaczego ten efekt przekonał fizyków, że światło jest również cząstką

Światło już dawno zostało zaasertowane jako wawa przez próby Younga z interferencją przez dwie szczeliny ponad sto lat temu (zobacz artykuł o interferencji na tej stronie), a difrakcja, polarizacja i równania Maxwella podtrzymują tę interpretację. Efekt fotoelektryczny wymusił na fizykach przyjęcie faktu, że światło zachowuje się jako dyskretna kwanty w momencie interakcji z materiałem – źródło duality falowej i cząstkowej. Robert Millikan poświęcił około dziesięciolecia (1905-1916) próbach ekspetrymentalnych, które powinny były udowodnić nieprawidłowość prostej równania liniowego Einsteina, a zamiast tego potwierdziły je z wysoką dokładnością. Odczytałstwo stałe Plancka h na podstawie nachylenia KE_max w stosunku do częstotliwości f niezależnie od wartości, którą Planck wyznaczył na podstawie ciepła czarnej płyty – zgodność dwóch zupełnie różnych eksperymentów na tym samym stałym było silnym dowodem potwierdzającym. Einstejn otrzymał w 1921 roku Nobla za fizykę „za jego odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego”, a nie za teorię względności.

Odczyt kontrolek symulacji

Przewinięcie przycisku częstotliwości światła przesuwającego się w górę lub w dół nad phi/h dla wybranego metala przewija f powyżej lub poniżej tej wartości, włączając lub wyłączając emisję i ustawiając prędkość wyemitowanych elektronów po włączeniu. Przewinięcie intensywności przy ustalonej częstotliwości powyżej prógowej zwiększa szybkość przybywania fotonów, co przewija liczbę wyemitowanych elektronów na sekundę (przepływ), widocznie bez zmiany prędkości oddzielnego elektronu. Zmiana metali zmienia phi, przesuwając próg częstotliwości -- metale łatwo ionizowane, takie jak cesium, mają niski funkcjonariusz pracy i wydzielają elektrony nawet przy światle widzialnym, podczas gdy metale takie jak platynum potrzebują światła ultradźwiękowego do przekroczenia ich znacznie wyższego funkcjonariusza pracy.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Photoelectric Effect i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.