Comment les physiciens résolus l'effet photoélectrique de la lumière

L'effet photoélectrique est l'un des nombreux résultats expérimentaux qui composent une crise pour la physique classique au tournant du 20e siècle. Il était aussi l'un des premiers succès d'Einstein, et il fournit la preuve de la quantification de la lumière. Voici ce qui est arrivé.

L'effet photoélectrique.
L'effet photoélectrique.

Lorsque vous briller la lumière sur le métal, comme la figure ci-dessus montre, vous obtenez électrons émis. Les électrons absorbent la lumière briller, et si elles obtiennent assez d'énergie, ils sont en mesure de se libérer de la surface du métal. Selon la physique classique, la lumière est juste une vague, et il peut échanger toute quantité d'énergie avec le métal. Lorsque vous la lumière du faisceau sur un morceau de métal, les électrons dans le métal devrait absorber la lumière et lentement rassembler assez d'énergie pour être émise par le métal. L'idée était que si vous étiez à briller plus de lumière sur le métal, les électrons doivent être émises avec une énergie cinétique élevée. Et la lumière très faible ne devrait pas être en mesure d'émettre des électrons à tous, sauf dans une affaire d'heures.

Mais cela ne ce qui est arrivé - les électrons ont été émises dès que quelqu'un brillait la lumière sur le métal. En fait, peu importe la faiblesse de l'intensité de la lumière incidente (et les chercheurs ont tenté des expériences avec une telle lumière faible qu'il aurait pris des heures pour obtenir des électrons émis), les électrons ont été émises. Immédiatement.

L'énergie cinétique des électrons émis fonction de la fréquence de la lumière incidente.
L'énergie cinétique des électrons émis fonction de la fréquence de la lumière incidente.

Les expériences avec l'effet photoélectrique ont montré que l'énergie cinétique, K, des électrons émis ne dépendait que de la fréquence - pas l'intensité - de la lumière incidente, comme vous pouvez le voir dans ce chiffre.

Dans la figure,

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est appelé le fréquence de seuil, et si vous briller la lumière avec une fréquence inférieure à ce seuil sur le métal, aucun des électrons sont émis. Les électrons émis proviennent de la piscine d'électrons libres dans le métal (tous les métaux ont une piscine d'électrons libres), et vous avez besoin de fournir ces électrons avec une énergie équivalente à la fonction de travail du métal, W, à émettre les électrons du métal de surface.

Les résultats étaient difficiles à expliquer classique, donc entrés Einstein. Ce fut le début de son apogée, vers 1905. Encouragé par le succès de Max Planck, Einstein a postulé que non seulement ont été oscillateurs quantifiées mais tellement la lumière fut - en unités discrètes appelées photons. Lumière, il a suggéré, ont agi comme des particules ainsi que des vagues.

Donc, dans ce système, lorsque la lumière frappe une surface métallique, les photons frappent les électrons libres, et un électron absorbe complètement chaque photon. Lorsque l'énergie,

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du photon est supérieure à la fonction de travail du métal, l'électron est émis. C'est,

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où W est la fonction de travail du métal et K est l'énergie cinétique de l'électron émis. Résoudre K vous donne ce qui suit:

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La fonction de travail peut être exprimée en termes de la fréquence de seuil,

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Vous pouvez également écrire cela en termes de la fréquence de seuil de cette façon:

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Donc, apparemment, la lumière est pas seulement une onde vous pouvez aussi la voir comme une particule, le photon. En d'autres termes, la lumière est quantifié.


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