光電効果
ウィキメディア・コモンズ
の 光電効果 ～の研究に重大な挑戦をもたらした光学1800年代後半。に挑戦した 古典波動理論 当時主流だった光の理論。この物理学のジレンマを解決したことで、アインシュタインは物理学界で注目を集め、最終的に 1921 年のノーベル賞を受賞しました。
光電効果とは
年表物理学
光源 (より一般的には電磁放射) が金属表面に入射すると、表面は電子を放出することができます。このようにして放出された電子を 光電子 （ただし、それらはまだ単なる電子です）。これは、右の図に示されています。
光電効果の設定
コレクターに負の電位 (写真の黒いボックス) を与えることにより、電子が移動を完了して電流を開始するには、より多くのエネルギーが必要になります。電子がコレクターに到達しないポイントは、 停止電位 Vs 、最大運動エネルギーを決定するために使用できます K最大 電子の（電子電荷を持っている と ) 次の式を使用します。
K最大 = eVs
古典的な波の説明
仕事関数ファイファイ
3 つの主要な予測は、この古典的な説明から得られます。
- 放射の強度は、結果として得られる最大運動エネルギーと比例関係を持つ必要があります。
- 光電効果は、周波数や波長に関係なく、あらゆる光に対して発生するはずです。
- 放射線が金属に接触してから最初に光電子が放出されるまでには、数秒程度の遅延があるはずです。
実験結果
- 光源の強度は、光電子の最大運動エネルギーに影響を与えませんでした。
- 特定の周波数以下では、光電効果はまったく発生しません。
- 大幅な遅延はありません (10 未満)-9s) 光源の起動と最初の光電子の放出の間。
おわかりのように、これら 3 つの結果は、波動理論の予測とは正反対です。それだけでなく、これら 3 つすべてが完全に直感に反しています。低周波光はまだエネルギーを持っているのに、なぜ光電効果を引き起こさないのでしょうか?光電子はどのようにして素早く放出されるのですか?そして、おそらく最も興味深いのは、強度を上げてもよりエネルギーの高い電子放出が得られないのはなぜですか?他の多くの状況ではうまく機能するのに、なぜこのケースでは波動理論が完全に失敗するのでしょうか?
アインシュタインの素晴らしい年
アルバート・アインシュタイン 年表物理学
上に構築 マックス・プランク の 黒体放射 理論では、アインシュタインは、放射エネルギーが波面全体に連続的に分布するのではなく、代わりに小さな束に局在することを提案しました (後に 光子 ）。光子のエネルギーは、その周波数に関連付けられます ( n ) として知られる比例定数を介して プランク定数 ( 時間 )、または代わりに、波長 ( l ) と光速 ( c ):
と = hν = hc / l
または運動量方程式： p = 時間 / l
nf
ただし、余剰エネルギーがある場合は、 ファイ 、光子では、過剰なエネルギーが電子の運動エネルギーに変換されます。
K最大 = hν - ファイ
最大の運動エネルギーは、最も緊密に束縛されていない電子が自由になるときに生じますが、最も緊密に束縛されている電子はどうなりますか。あるもの ただ 光子をノックアウトするのに十分なエネルギーが光子に含まれていますが、結果としてゼロになる運動エネルギーは?設定 K最大 これはゼロに等しい カットオフ周波数 ( nc ）、 我々が得る：
nc = ファイ / 時間
またはカットオフ波長: lc = hc / ファイ
アインシュタイン以降
最も重要なことは、光電効果とそれに触発された光子理論が、古典的な光の波動理論を打ち砕いたことです。光が波として振る舞うことは誰も否定できませんでしたが、アインシュタインの最初の論文の後、光が粒子でもあることは否定できませんでした。