Het foto-elektrisch effect

De fotoëlektrisch effect vormde een belangrijke uitdaging voor de studie van optica in het laatste deel van de 19e eeuw. Het daagde de klassieke golftheorie van licht, wat de heersende theorie van die tijd was. Het was de oplossing voor dit fysica-dilemma dat Einstein tot een prominente plaats in de natuurkundegemeenschap katapulteerde en hem uiteindelijk de Nobelprijs voor 1921 opleverde.

Wat is het foto-elektrisch effect?

Annalen der Physik

Wanneer een lichtbron (of, meer in het algemeen, elektromagnetische straling) op een metalen oppervlak valt, kan het oppervlak elektronen uitzenden. Op deze manier uitgezonden elektronen worden genoemd foto-elektronen (hoewel het nog steeds slechts elektronen zijn). Dit wordt weergegeven in de afbeelding rechts.

Het foto-elektrisch effect instellen

Door een negatieve spanningspotentiaal (de zwarte doos op de afbeelding) aan de collector toe te dienen, is er meer energie voor de elektronen nodig om de reis te voltooien en de stroom te initiëren. Het punt waarop geen elektronen de collector bereiken, wordt het genoemd stoppotentieel V_s, en kan worden gebruikt om de maximale kinetische energie te bepalen K_max van de elektronen (die elektronische lading hebben e) door de volgende vergelijking te gebruiken:

K_max = eV_s

De klassieke golfuitleg

Iwork-functie phiPhi

Drie belangrijke voorspellingen komen uit deze klassieke verklaring:

1. De intensiteit van de straling moet een evenredige relatie hebben met de resulterende maximale kinetische energie.
2. Het foto-elektrische effect moet optreden voor elk licht, ongeacht de frequentie of golflengte.
3. Er moet een vertraging zijn in de orde van seconden tussen het contact van de straling met het metaal en de eerste afgifte van foto-elektronen.

Het experimentele resultaat

1. De intensiteit van de lichtbron had geen effect op de maximale kinetische energie van de foto-elektronen.
2. Onder een bepaalde frequentie treedt het foto-elektrische effect helemaal niet op.
3. Er is geen significante vertraging (minder dan 10^-9 s) tussen de activering van de lichtbron en de emissie van de eerste foto-elektronen.

Zoals u kunt zien, zijn deze drie resultaten precies het tegenovergestelde van de voorspellingen van de golftheorie. Niet alleen dat, maar ze zijn alle drie volledig contra-intuïtief. Waarom zou laagfrequent licht het foto-elektrisch effect niet activeren, omdat het nog steeds energie draagt? Hoe komen de foto-elektronen zo snel vrij? En, misschien wel het meest merkwaardig, waarom leidt het toevoegen van meer intensiteit niet tot meer energetische elektronenafgifte? Waarom faalt de golftheorie in dit geval zo volkomen wanneer het zo goed werkt in zoveel andere situaties

Het prachtige jaar van Einstein

Albert Einstein Annalen der Physik

Voortbouwend op de zwarte-stralingstheorie van Max Planck, stelde Einstein voor dat stralingsenergie niet continu wordt verdeeld over het golffront, maar in plaats daarvan wordt gelokaliseerd in kleine bundels (later fotonen genoemd). De energie van het foton zou geassocieerd zijn met zijn frequentie (ν), via een evenredigheidsconstante die bekend staat als Planck is constant (h), of alternatief, met behulp van de golflengte (λ) en de snelheid van het licht (c):

E = hv = hc / λ

of de momentumvergelijking: p = h / λ