Fysiikka

Einsteinin tulkinta valosähkötehosteesta


Vuonna 1905 Einstein ehdotti uutta valoteoriaa, joka käytti valosähkötehostetta todistaakseen, olivatko hänen ideansa todella oikeita.

Aluksi Planck oli rajoittanut energian kvantisoinnin käsitteen vain mustan kappaleen seinämissä oleviin elektroneihin. Hänelle, kun hän säteili energiaa, se levisi avaruudessa, aivan kuten aallot levisivät vedessä. Einstein puolestaan ​​ehdotti energian kvantitatiivista konsentroiduissa pakkauksissa, joita kutsutaan myöhemmin fotonit.

Einstein keskittyi huomiossaan verisoluihin, joissa valo säteilee ja absorboituu, eikä aaltoihin, kun ne leviävät. Hän väitti, että Planckin vaatimus, että lähteen lähettämien sähkömagneettisten aaltojen energia on moninkertainen hf tarkoitti, että siirtymällä nhf-energiatilasta tilaan, jonka energia oli (n-1) hf, lähde lähettäisi diskreetin sähkömagneettisen säteilypulssin hf.

Alun perin oletettiin, että tämä energiapaketti sijoittuu pieneen tilavuuteen ja pysyy siinä, kun se siirtyi lähteestä nopeudella c, valon nopeudella.

Paketin tai pikemminkin fotonin energia E liittyy taajuuteen f yhtälön mukaan:

Valosähkötehosteessa fotoni on täysin absorboitunut fotokatodissa olevan elektronin avulla. Siten, kun se emittoidaan metallipinnalta, elektronikineettinen energia annetaan:

missä:

hf = tapahtuman absorboima fotonienergia;

w = vaaditaan työtä elektronin poistamiseksi metallista.

Jotkut elektronit ovat sitoutuneet voimakkaammin kuin toiset, joten heikoimmassa sidoksessa eikä sisäistä häviämistä fotoelektroni ilmaantuu maksimaalisen kineettisen energian, Kmax. näin:

Missä w0, metallin ominainen energia, jota kutsutaan työfunktioksi, on vähimmäisenergia, joka tarvitaan elektronille, jotta se voi ylittää metallin pinnan ja päästä pois houkuttelevista voimista, jotka kiinnittävät sen metalliin.

Koska Kmax= eV0, voimme kirjoittaa valosähköyhtälön seuraavasti:

Väite, jonka mukaan Kmax Valaistuksen voimakkuudesta riippuen fotoniteoria on täysin yhtä mieltä kokeellisesti saaduista tuloksista: valon voimakkuuden kaksinkertaistaminen yksinkertaisesti kaksinkertaistaa fotonien lukumäärän ja siten kaksinkertaistaa sähkövirran voimakkuuden, mutta tämä ei muuta kunkin fotonin hf-energiaa. .

Taajuuskynnyksen olemassaolosta tämä ajatus eliminoidaan helposti, kun suurin kineettinen energia on nolla:

Tämä tarkoittaa, että taajuuden fotoni f0 Siinä on tarkalleen fotoelektronien poistamiseen tarvittava energia eikä siten ylimääräistä kineettistä energiaa.

Viiveen puuttuminen selittyy sillä, että tarvittava teho syötetään tiivistetyissä paketeissa. Siksi, toisin kuin yleisesti uskotaan, se ei ole jakautunut tasaisesti suurelle alueelle, koska jos katodissa paistaa valoa, siihen tulee ainakin yksi fotoni, joka joku atomi imee heti. ja aiheuttaa fotonin välittömän säteilyn.

Lopuksi, Einsteinin mallissa todetaan, että taajuuden f fotonilla on tarkalleen energia hf, ei hf: n monikerta. On kuitenkin selvää, että jos kyseessä on n fotonia taajuudella f, energian tuolla taajuudella on nhf.