Der fotoelektrische Effekt

Das photoelektrischer Effekt war eine große Herausforderung für das Studium der Optik im späten 19. Jahrhundert. Es forderte die klassische Wellentheorie vom Licht, das die vorherrschende Theorie der Zeit war. 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.

Was ist der photoelektrische Effekt??

Annalen der Physik

Wenn eine Lichtquelle (oder allgemein elektromagnetische Strahlung) auf eine metallische Oberfläche trifft, kann die Oberfläche Elektronen emittieren. Elektronen, die auf diese Weise emittiert werden, heißen Photoelektronen (obwohl sie immer noch nur Elektronen sind). Dies ist im Bild rechts dargestellt.

Einrichten des fotoelektrischen Effekts

Durch Anlegen eines negativen Spannungspotentials (die schwarze Box im Bild) an den Kollektor wird mehr Energie für die Elektronen benötigt, um die Reise abzuschließen und den Strom zu initiieren. Der Punkt, an dem keine Elektronen in den Kollektor gelangen, heißt Stopppotential V_s, und kann verwendet werden, um die maximale kinetische Energie zu bestimmen K_max der Elektronen (die elektronisch geladen sind) e) unter Verwendung der folgenden Gleichung:

K_max = eV_s

Die klassische Wellenerklärung

Iwork Funktion PhiPhi

Aus dieser klassischen Erklärung ergeben sich drei Hauptvorhersagen:

1. Die Intensität der Strahlung sollte proportional zur resultierenden maximalen kinetischen Energie sein.
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.

Das experimentelle Ergebnis

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

Einsteins wundervolles Jahr

Albert Einstein Annalen der Physik

Basierend auf Max Plancks Theorie der Schwarzkörperstrahlung schlug Einstein vor, die Strahlungsenergie nicht kontinuierlich über die Wellenfront zu verteilen, sondern in kleinen Bündeln (später Photonen genannt) zu lokalisieren. Die Energie des Photons würde mit seiner Frequenz verbunden sein (ν) durch eine Proportionalitätskonstante, bekannt als Plancks Konstante (h) oder alternativ unter Verwendung der Wellenlänge (λ) und die Lichtgeschwindigkeit (c):

E = hν = hc / λ

oder die Impulsgleichung: p = h / λ