Efek Fotoelektrik dan Hadiah Nobel 1921 Einstein

Itu efek fotoelektrik merupakan tantangan yang signifikan untuk studi optik di bagian akhir 1800-an. Ini menantang teori gelombang klasik cahaya, yang merupakan teori yang berlaku saat itu. Itu adalah solusi untuk dilema fisika ini yang melambungkan Einstein menjadi menonjol dalam komunitas fisika, yang akhirnya memberinya Hadiah Nobel 1921.

Annalen der Physik

Ketika sumber cahaya (atau, lebih umum, radiasi elektromagnetik) terjadi pada permukaan logam, permukaan dapat memancarkan elektron. Elektron yang dipancarkan dengan cara ini disebut fotoelektron (Meskipun mereka masih elektron saja). Ini digambarkan dalam gambar di sebelah kanan.

Dengan memberikan potensial tegangan negatif (kotak hitam pada gambar) ke kolektor, dibutuhkan lebih banyak energi bagi elektron untuk menyelesaikan perjalanan dan memulai arus. Titik di mana tidak ada elektron yang mencapai kolektor disebut menghentikan potensial V_s, dan dapat digunakan untuk menentukan energi kinetik maksimum

K_maks = eV_s

Fungsi kerja phiPhi

Tiga prediksi utama berasal dari penjelasan klasik ini:

1. Intensitas radiasi harus memiliki hubungan proporsional dengan energi kinetik maksimum yang dihasilkan.
2. Efek fotolistrik harus terjadi untuk cahaya apa pun, terlepas dari frekuensi atau panjang gelombang.
3. Seharusnya ada penundaan urutan detik antara kontak radiasi dengan logam dan pelepasan fotoelektron awal.

1. Intensitas sumber cahaya tidak berpengaruh pada energi kinetik maksimum dari fotoelektron.
2. Di bawah frekuensi tertentu, efek fotolistrik tidak terjadi sama sekali.
3. Tidak ada penundaan yang signifikan (kurang dari 10^-9 s) antara aktivasi sumber cahaya dan emisi fotoelektron pertama.

Seperti yang Anda tahu, ketiga hasil ini adalah kebalikan dari prediksi teori gelombang. Bukan hanya itu, tetapi mereka bertiga sepenuhnya kontra-intuitif. Mengapa cahaya frekuensi rendah tidak memicu efek fotolistrik, karena masih membawa energi? Bagaimana fotoelektron melepaskan begitu cepat? Dan, mungkin yang paling aneh, mengapa penambahan intensitas tidak menghasilkan pelepasan elektron yang lebih energik? Mengapa teori gelombang sangat gagal dalam kasus ini ketika ia bekerja sangat baik dalam banyak situasi lainnya

Albert Einstein Annalen der Physik

Membangun Max Planckini radiasi benda hitam teori, Einstein mengusulkan bahwa energi radiasi tidak terus menerus didistribusikan di muka gelombang, tetapi sebaliknya terlokalisasi dalam kumpulan kecil (kemudian disebut foton). Energi foton akan dikaitkan dengan frekuensinya (ν), melalui konstanta proporsionalitas yang dikenal sebagai Konstanta Planck (h), atau secara bergantian, menggunakan panjang gelombang (λ) dan kecepatan cahaya (c):

E = hν = hc / λ

atau persamaan momentum: hal = h / λ

νφ

Namun, jika ada kelebihan energi, di luar φ, dalam foton, kelebihan energi diubah menjadi energi kinetik elektron:

K_maks = hν - φ

Energi kinetik maksimum dihasilkan ketika elektron yang terikat paling kecil melepaskan diri, tetapi bagaimana dengan yang terikat paling kuat; Yang ada di sana hanya energi yang cukup dalam foton untuk melepaskannya, tetapi energi kinetik yang menghasilkan nol? Pengaturan K_maks sama dengan nol untuk ini frekuensi cutoff (ν_c), kita mendapatkan:

ν_c = φ / h

atau panjang gelombang cutoff: λ_c = hc / φ

Paling signifikan, efek fotolistrik, dan teori foton yang diilhaminya, menghancurkan teori gelombang klasik cahaya. Meskipun tidak ada yang bisa menyangkal bahwa cahaya berperilaku sebagai gelombang, setelah karya Einstein yang pertama, tidak dapat dipungkiri bahwa itu juga sebuah partikel.