PHOTOELEKTRISCHER EFFEKT
Eines der großen Probleme der klassischen Physik Ende des 19. Jahrhunderts bestand darin, zu erklären, was passiert, wenn ein Lichtstrahl auf eine Metallplatte fokussiert wird. Es sei daran erinnert, dass es zu dieser Zeit noch keine vollständige Theorie der Quantenmechanik gab.
Um die Phänomene zu erklären, die Atome und andere kleine Teilchen betreffen, wurde die statistische Mechanik entwickelt, eine Art, solche Probleme auf klassische Weise unter Verwendung der klassischen Mechanik zu behandeln.
Bei diesem als photoelektrischer Effekt bezeichneten Phänomen wird ein Elektron mithilfe eines Lichtstrahls aus der äußersten Schicht eines Metalls entfernt. Licht wurde damals noch als elektromagnetische Welle verstanden und man ging davon aus, dass je größer die Intensität des Lichts ist, desto mehr Energie trägt es mit sich. Mit der damaligen klassischen Mechanik führte das dazu, dass unabhängig von der Frequenz des Lichts immer dann, wenn Licht auf ein Metall fiel, die Intensität des Strahls erhöht werden konnte, um Elektronen aus dem Material zu reißen. Die Energie der abgestreiften Elektronen konnte mit einem Voltmeter gemessen werden.
Das war jedoch nicht das, was das Experiment zeigte. Wenn ein Strahl aus monochromatischem Licht (Einzelfrequenz) auf eine Metallplatte fokussiert wurde, konnte das Elektron aus dem Metall herausgerissen werden oder nicht. Wenn es so wäre, hätte ein solches Elektron eine bestimmte Energie, und eine Erhöhung der Lichtintensität würde nicht dazu führen, dass Elektronen mit unterschiedlichen Energien eingefangen werden, sondern nur eine größere Menge von Elektronen mit der gleichen Energie wie zuvor. Wenn das Elektron durch den Lichteinfall nicht herausgerissen wurde, führte auch eine Erhöhung der Lichtintensität nicht dazu, dass Elektronen aus dem Metall herausgerissen wurden. Wenn die Frequenz des einfallenden Lichts in abnehmender Weise variiert wurde, gab es außerdem für ein bestimmtes Metall immer eine Frequenz, die als Grenzfrequenz bezeichnet wird, unterhalb derer es nicht möglich war, Elektronen aus dem Metall zu entfernen, unabhängig von der Lichtintensität. Somit stand die Theorie im Widerspruch zum Experiment. Unterhalb der Bilder befindet sich ein Simulator zur Interaktion .
Laut Einstein, der die Plancksche Konstante annimmt, lautet die Gleichung für das Photon ...
h - Planck's Konstante, ν - Frequenz und 𝜙 - Arbeitsfunktion
Was Einstein mit dieser Gleichung meinte, ist, dass es für eine gegebene sehr niedrige Frequenz nicht ausreichen würde, ein Elektron unabhängig von der Platte zu schlagen, wenn wir die Intensität dieses Lichts auf dieselbe Frequenz erhöhen. Aber wenn wir auf die Metallplatte ein Licht fokussieren, das eine sehr hohe Frequenz hat, würden folglich Elektronen von dieser Platte freigesetzt werden, und wenn die Lichtintensität auf eine hohe Frequenz erhöht wird, wird die Menge an freigesetzten Elektronen umso größer. Der Begriff (𝜙) - Austrittsarbeit, der in dieser Gleichung erscheint, sagt uns, dass es einen Mindestwert gibt, um das Elektron von der Platte entfernen zu können, das heißt;
wenn (h .ν ) kleiner als (𝜙) ist, werden die Elektronen die Platte nicht verlassen
wenn (h .ν) größer ist als (𝜙) die Elektronen wird vom Brett kommen.
Dieser 𝜙 hat für jede Metallart einen bestimmten Wert. Dies geschieht aufgrund der elektrostatischen Bindungen zwischen Atomen in Metallen, wir wissen, dass wir nur freie Elektronen entfernen können, also Elektronen, die sich in der sogenannten Valenzschale befinden, weil sie weniger Energie haben und sich daher leicht von ihrer Atombahn lösen. Diese Austrittsarbeit 𝜙 ist genau der Wert, den das Photon haben muss, um diese Bindungsenergie zwischen den Atomen zu brechen und die Elektronen herauszuschlagen, wodurch ein elektrischer Strom in den Detektoren erzeugt wird. um besser zu verstehen die Animation unten über den photoelektrischen Effekt wird Ihnen helfen, dieses Konzept zu verstehen. manipulieren die Intensität des Lichts auf der Platte und der Frequenz davon im Farbspektrum und wechseln Sie zwischen den Materialarten, aus denen diese Platten hergestellt sind. Und sehen, was passiert.
Damit, Albert Einstein sagt mit diesem Experiment, dass Licht einfach nicht nur Teilchen und Welle ist, sondern beides! Für einige Phänomene hat Licht ein Wellenverhalten und für andere ein Korpuskularverhalten.