التأثير الكهروضوئي وجائزة نوبل لآينشتاين عام 1921

ال التأثير الكهروضوئي شكلت تحديا كبيرا لدراسة بصريات في الجزء الأخير من القرن التاسع عشر. تحدى نظرية الموجة الكلاسيكية للضوء ، وهي النظرية السائدة في ذلك الوقت. كان الحل لهذه المعضلة الفيزيائية هو الذي دفع آينشتاين إلى الظهور في مجتمع الفيزياء ، وحصل في النهاية على جائزة نوبل عام 1921.

Annalen der Physik

عندما يقع مصدر ضوء (أو ، بشكل أعم ، إشعاع كهرومغناطيسي) على سطح معدني ، يمكن أن يصدر السطح إلكترونات. تسمى الإلكترونات المنبعثة بهذه الطريقة الإلكترونيات الضوئية (على الرغم من أنها لا تزال مجرد إلكترونات). هذا موضح في الصورة على اليمين.

من خلال إعطاء جهد جهد سلبي (الصندوق الأسود في الصورة) إلى المجمع ، يستغرق الأمر المزيد من الطاقة للإلكترونات لإكمال الرحلة وبدء التيار. تسمى النقطة التي لا تصل فيها الإلكترونات إلى المجمع وقف V المحتمل_س، ويمكن استخدامها لتحديد الطاقة الحركية القصوى ك_ماكس من الإلكترونات (التي لها شحنة إلكترونية ه) باستخدام المعادلة التالية:

ك_ماكس = eV_س

دالة Iwork phiPhi

تأتي ثلاثة تنبؤات رئيسية من هذا التفسير الكلاسيكي:

1. يجب أن يكون لشدة الإشعاع علاقة متناسبة مع الطاقة الحركية القصوى الناتجة.
2. يجب أن يحدث التأثير الكهروضوئي لأي ضوء ، بغض النظر عن التردد أو الطول الموجي.
3. يجب أن يكون هناك تأخير في ترتيب الثواني بين ملامسة الإشعاع للمعدن والإطلاق الأولي للإلكترونات الضوئية.

1. لم تؤثر شدة مصدر الضوء على الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات الضوئية.
2. تحت تردد معين ، لا يحدث التأثير الكهروضوئي على الإطلاق.
3. لا يوجد تأخير كبير (أقل من 10^-9 ق) بين تنشيط مصدر الضوء وانبعاث الإلكترونات الضوئية الأولى.

كما يمكنك أن تقول ، فإن هذه النتائج الثلاثة هي العكس تمامًا من تنبؤات نظرية الموجة. ليس هذا فقط ، لكنهم جميعًا ثلاثة غير بديهيين تمامًا. لماذا لا يؤدي الضوء المنخفض التردد إلى التأثير الكهروضوئي ، لأنه لا يزال يحمل الطاقة؟ كيف يتم تحرير الإلكترونيات الضوئية بهذه السرعة؟ وربما الأكثر غرابة ، لماذا لا تؤدي إضافة المزيد من الكثافة إلى إطلاق إلكترونات أكثر نشاطًا؟ لماذا تفشل نظرية الموجة تمامًا في هذه الحالة عندما تعمل بشكل جيد في العديد من المواقف الأخرى

البرت اينشتاين Annalen der Physik

بناء على ماكس بلانك'س إشعاع الجسم الأسود من الناحية النظرية ، اقترح آينشتاين أن الطاقة الإشعاعية لا يتم توزيعها بشكل مستمر على جبهة الموجة ، ولكن بدلاً من ذلك يتم وضعها في حزم صغيرة (تسمى لاحقًا الفوتونات). سوف ترتبط طاقة الفوتون بترددها (ν) ، من خلال ثابت التناسب المعروف باسم ثابت بلانك (ح) ، أو بالتناوب ، باستخدام الطول الموجي (λ) وسرعة الضوء (ج):

هـ = ح = ه / λ

أو معادلة الزخم: ص = ح / λ

νφ

ومع ذلك ، إذا كانت هناك طاقة زائدة ، بعد ذلك φفي الفوتون ، يتم تحويل الطاقة الزائدة إلى طاقة حركية للإلكترون:

ك_ماكس = ح - φ

تنتج الطاقة الحركية القصوى عندما تتحرر الإلكترونات الأقل إحكامًا ، ولكن ماذا عن الإلكترونات الأكثر إحكامًا ؛ تلك التي يوجد فيها مجرد ما يكفي من الطاقة في الفوتون لطرقه ، لكن الطاقة الحركية التي ينتج عنها صفر؟ ضبط ك_ماكس يساوي صفر لهذا تردد القطع (ν_ج)، نحن نحصل:

ν_ج = φ / ح

أو طول موجة القطع: λ_ج = ه / φ

الأهم من ذلك ، أن التأثير الكهروضوئي ، ونظرية الفوتون التي ألهمتها ، سحقت نظرية الموجة الكلاسيكية للضوء. على الرغم من أنه لا يمكن لأحد أن ينكر أن الضوء تصرف كموجة ، بعد ورقة أينشتاين الأولى ، كان لا يمكن إنكار أنه كان أيضًا جسيمًا.