Класична фізика передбачала, що яскравіше світло вибиває швидші електрони. Досвід показав протилежне: нижче порогової частоти жоден електрон не вилітає незалежно від яскравості; вище — енергія залежить від частоти, а не яскравості. Пояснення Ейнштейна 1905 року принесло йому Нобелівську премію.
Фотони несуть енергію E = hf (стала Планка × частота). Електрон виривається з металу лише якщо E > ϕ (робота виходу). Кінетична енергія вибитих електронів = hf − ϕ, незалежно від інтенсивності. Інтенсивність контролює кількість фотонів на секунду, отже фотострум.
Регулюйте Частоту, щоб перетнути поріг і побачити, як починають вилітати електрони. Підвищуйте Інтенсивність для збільшення фотоструму без зміни енергії електронів. Змінюйте метал для зміни ϕ. Спостерігайте за живим графіком К.Е. проти Частоти — його нахил є сталою Планка h.
Коли Філіп Ленард вимірював фотоефект 1902 року, він очікував підтвердження хвильової теорії — але вона не спрацювала. Пояснення Ейнштейна частинками було настільки радикальним, що навіть після точного підтвердження Міллікана 1916 року, сам Міллікан ще десять років не визнавав реальність фотонів.
Ця інтерактивна модель спрямовує промінь світла на металеву пластину й показує фотоефект у реальному часі. Кожен падаючий фотон несе енергію E = hf, де h — стала Планка, а f — частота світла. Електрон вилітає лише тоді, коли ця енергія перевищує роботу виходу W металу; звільнений електрон залишає поверхню з кінетичною енергією hf − W. Жива енергетична діаграма відображає стовпчик фотона, поріг роботи виходу та підсумковий стовпчик кінетичної енергії в електрон-вольтах.
Симуляція застосовує рівняння фотоефекту Ейнштейна. Енергія фотона обчислюється як E = h·f при h = 4.136×10⁻¹⁵ еВ·с, робота виходу W фіксована для кожного матеріалу (від 2.1 еВ для цезію до 5.1 еВ для золота), а кінетична енергія дорівнює max(0, hf − W). Нижче порогу фотони влучають у пластину, але дають лише червоний спалах; вище порогу зі світної поверхні розлітаються електрони.
Тягніть повзунок Частота (4–10 ×10¹⁴ Гц), щоб змінити енергію фотона й колір променя. Повзунком Інтенсивність (1–10) додавайте більше фотонів за секунду, підвищуючи швидкість вильоту електронів без зміни їхньої енергії. Оберіть Матеріал, щоб задати роботу виходу, і натисніть Пауза, щоб зупинити сцену. Нижня панель показує енергію фотона, W, кінетичну енергію та кількість електронів за секунду.
Ейнштейн отримав Нобелівську премію з фізики 1921 року саме за пояснення фотоефекту, а не за теорію відносності. Його гіпотеза 1905 року про те, що світло квантоване на дискретні порції, була настільки радикальною, що Роберт Міллікен десятиліття намагався її спростувати, доки його ж точні вимірювання навпаки не підтвердили її.
Це випромінювання електронів з матеріалу, коли на нього падає світло. Симуляція показує фотони, що влучають у металеву пластину; якщо кожен фотон несе достатньо енергії, електрон вибивається й вилітає. Це було ключовим доказом того, що світло поводиться як дискретні кванти, а не лише як неперервна хвиля.
Кожен фотон передає енергію E = hf в одній взаємодії з одним електроном, тож вища частота означає енергійніший фотон. Збільшення інтенсивності додає більше фотонів, але не робить жоден окремий фотон енергійнішим. Саме тому підняття повзунка Інтенсивність збільшує кількість електронів, але ніколи не підніме електрон над порогом, якщо частота надто низька.
Селектор Матеріал задає роботу виходу W — мінімальну енергію, потрібну, щоб звільнити електрон з цього металу. Цезій має найнижче значення 2.1 еВ, а золото — найвище 5.1 еВ. Емісія відбувається лише коли енергія фотона hf перевищує W, тому метали з високою роботою виходу, як-от золото, потребують значно вищих частот, перш ніж з'являться електрони.
Облік енергії точно відповідає рівнянню Ейнштейна: енергія фотона hf, поріг W і кінетична енергія hf − W правильні в електрон-вольтах при h = 4.136×10⁻¹⁵ еВ·с. Значення роботи виходу — реалістичні літературні дані. Летючі частинки є стилізованою візуалізацією, тож швидкості й траєкторії електронів радше ілюстративні, ніж точна модель розсіювання.
Електрон зв'язаний усередині металу й потребує мінімальної енергії — роботи виходу — щоб вирватися. Оскільки фотон передає всю свою енергію hf одному електрону за раз, емісії не відбувається, доки hf не досягне W. Нижче цієї межі енергія просто поглинається й перевипромінюється, що симуляція позначає червоним спалахом замість вибитого електрона.