אפקט פוטואלקטרי
אחת הבעיות הגדולות של הפיזיקה הקלאסית בסוף המאה ה-19 הייתה להסביר מה קרה כאשר אלומת אור התמקדה בלוח מתכת. כדאי לזכור שבזמן הזה עדיין לא הייתה תיאוריה שלמה של מכניקת הקוונטים.
כדי להסביר את התופעות הכוללות אטומים וחלקיקים קטנים אחרים, פותחה מכניקה סטטיסטית, דרך להתמודד עם בעיות כאלה בצורה קלאסית, תוך שימוש במכניקה קלאסית.
התופעה, המכונה אפקט הפוטואלקטרי, כוללת הוצאת אלקטרון מהשכבה החיצונית ביותר של מתכת באמצעות אלומת אור. באותו זמן, האור עדיין היה מובן כגל אלקטרומגנטי, וההנחה הייתה שככל שעוצמת האור גדולה יותר, כך כמות האנרגיה שהוא נושא גדולה יותר. באמצעות המכניקה הקלאסית של אותה תקופה, התוצאה הייתה שללא קשר לתדירות האור, בכל פעם שאור נפל על מתכת, ניתן היה להגביר את עוצמת האלומה על מנת לקרוע אלקטרונים מהחומר. ניתן היה למדוד את האנרגיה של האלקטרונים המופשטים באמצעות מד מתח.
עם זאת, זה לא מה שהניסוי הראה. כאשר אלומת אור מונוכרומטית (תדר בודד) הייתה ממוקדת על לוחית מתכת, האלקטרון עלול להיקרע או לא להיקרע מהמתכת. אם כן, לאלקטרון כזה תהיה אנרגיה מוגדרת, והגברת עוצמת האור לא הביאה לחטיפת אלקטרונים בעלי אנרגיות שונות, אלא רק כמות גדולה יותר של אלקטרונים עם אותה אנרגיה כמו קודם. אם האלקטרון לא נתלש על ידי שכיחות האור, הגברת עוצמת האור גם לא גרמה לקריעת אלקטרונים מהמתכת. יתרה מזאת, אם תדירות האור הנכנס השתנתה בצורה פוחתת, למתכת נתונה תמיד היה תדר, הנקרא תדר החיתוך, אשר מתחתיו לא ניתן היה להסיר אלקטרונים מהמתכת, ללא קשר את עוצמת האור. לפיכך, התיאוריה הייתה מנוגדת לניסוי. מתחת לתמונות יש סימולטור לאינטראקציה .
לפי איינשטיין שמאמץ את הקבוע של פלאנק, המשוואה של הפוטון היא...
כאשר h - קבוע של פלאנק, ν - תדר ו 𝜙 - פונקציית עבודה
מה שאיינשטיין התכוון במשוואה הזו הוא שלתדר נמוך מאוד נתון, לא יספיק להפיל אלקטרון מהלוח באופן עצמאי אם נגביר את עוצמת האור לאותו תדר. אבל אם נתמקד בלוח המתכת באור בעל תדירות גבוהה מאוד, כתוצאה מכך ישתחררו אלקטרונים מהלוח הזה, ואם נגדיל את עוצמת האור לתדר גבוה, כך כמות האלקטרונים שתשתחרר תהיה גדולה יותר. המונח (𝜙) - פונקציית עבודה המופיעה במשוואה זו אומר לנו שיש ערך מינימלי כדי להצליח להסיר את האלקטרון מהלוח, כלומר;
אם (h .ν ) קטן מ- (𝜙) האלקטרונים לא יעזבו את הצלחת
אם (h .ν) גדול מ- (𝜙) האלקטרונים ירד מהלוח .
זה 𝜙 יש ערך ספציפי לכל סוג של מתכת. זה קורה בגלל הקשרים האלקטרוסטטיים בין אטומים במתכות, אנחנו יודעים שאנחנו יכולים להסיר רק אלקטרונים חופשיים, כלומר אלקטרונים שנמצאים במה שנקרא מעטפת הערכיות, כי הם פחות אנרגטיים וכך מתנתקים בקלות מהמסלול האטומי שלהם. פונקציית העבודה הזו 𝜙 היא בדיוק הערך שצריך להיות לפוטון כדי לשבור את אנרגיית הקישור הזו בין האטומים ולהפיל את האלקטרונים החוצה, וליצור זרם חשמלי בגלאים. להבנה טובה יותר האנימציה למטה על האפקט הפוטואלקטרי יעזור לך להבין את המושג הזה. לתפעל עוצמת האור על הצלחת וה תדירות שלו בספקטרום הצבעים, ולעבור בין סוגי החומרים מהם עשויים הלוחות הללו. ותראה מה קורה.
בכך, אלברט איינשטיין עם הניסוי הזה אומר שאור הוא פשוט לא רק חלקיק וגל, אלא גם וגם! עבור תופעות מסוימות לאור יש התנהגות גל ואצל אחרים יש לו התנהגות גופנית.