Šiemet sukanka 110 metų nuo A. Einšteino darbo, paaiškinusio fotoelektrinį efektą ir tuo pačiu atvėrusį naują pasaulio pažinimo puslapį

XIX amžiaus antroje pusėje fotoelektrinis efektas buvo rimtas iššūkis optiniams tyrimams. Jis nepakluso tuo metu vyravusiai klasikinei šviesos, kaip bangų, teorijai. Būtent šios fizikinės dilemos sprendimas A. Einšteinui pelnė pripažinimą fizikų bendruomenėje ir 1921 m. Nobelio premiją.

Kas yra fotoelektrinis efektas?

Nors pirmą kartą stebėtas dar 1839 m., fotoelektrinį efektą aprašė Heinrichas Hertzas 1887 m., Annalen der Physik straipsnyje.

Iš pradžių jis buvo vadinamas Hertzo efektu, tačiau šis pavadinimas neprigijo.

Kai šviesos šaltinis (ar bendriau, elektromagnetinis spinduliavimas) paveikia metalo paviršių, šis gali išlaisvinti elektronus. Tokie elektronai vadinami fotoelektronais (nors iš tiesų jie nuo kitų elektronų niekuo nesiskiria).

Fotoelektrinio efekto stebėjimas

Norint stebėti fotoelektrinį efektą, reikės vakuuminės kameros su fotolaidžiu metalu vienoje pusėje ir kolektoriaus – kitoje. Kai metalą apšviečia šviesa, elektronai išlaisvinami ir juda per vakuumą link kolektoriaus. Taip abu galus jungiančiame laide atsiranda srovė, kurią galima išmatuoti ampermetru.

Tiekiant neigiamą potencialą kolektoriui, elektronams reikia didesnės energijos šios atkarpos įveikimui ir srovės sukėlimui.

Taškas, kai kolektoriaus elektronai nebepasiekia, vadinamas stabdymo potencialu V_s, ir gali būti naudojamas elektrono (turinčio elektros krūvį e) maksimalios kinetinės energijos K_max nustatymui, naudojantis šia formule:

K_max = eV_s

 

Pažymėtina, kad ne visų elektronų energija bus tokia, tačiau pasiskirsčiusi tam tikrame ruože, priklausomai nuo naudojamo metalo savybių. Pagal aukščiau parašytą lygtį galima apskaičiuoti maksimalią kinetinę energiją, kitaip tariant, energiją dalelių, išplėštų iš metalo paviršiaus didžiausiu greičiu, ir tai bus labiausiai tolesnėje analizėje praversiantis požymis.

Klasikinis banginis aiškinimas

Klasikinėje bangų teorijoje, elektromagnetinio spinduliavimo energiją neša pati banga. Elektromagnetinei bangai (kurios intensyvumas I) susidūrus su paviršiumi, elektronas sugeria bangos energiją, kol ši ima viršyti ryšio energiją, ir taip elektronas išlaisvinamas iš metalo. Minimali elektrono išlaisvinimo energija yra medžiagos darbo funkcija φ (fi). (Daugumos paplitusių fotoelektrinių medžiagų φ yra kelių elektronvoltų lygio dydis.)

Eksperimento rezultatai

Iki 1902 m. fotoelektrinio efekto savybės jau buvo gerai dokumentuotos.

Akivaizdu, kad šie trys rezultatai prieštarauja bangų teorijos prognozėms. Be to, visi trys yra visiškai ne tokie, kokių būtų galima tikėtis intuityviai. Kodėl mažo dažnio šviesa nesukelia fotoelektrinio efekto, juk ji vis tiek perneša energiją? Kaip fotoelektronai išlaisvinami taip mikliai? Ir, ko gero, įdomiausia, kodėl padidinus šviesos intensyvumą, neišlaisvinami energingesni elektronai? Kodėl kitose situacijose puikiausiai veikianti bangų teorija šiuo atveju taip beviltiškai klysta?

Stebuklingieji Einšteino metai

Remdamasis Maxo Plancko absoliučiai juodo kūno spinduliavimo teorija, Einšteinas iškėlė mintį, kad spinduliavimo energija bangos frontu perduodama ne tolygiai, bet susitelkusi mažais paketais (vėliau pavadintai fotonais).

Fotono energija susijusi su jos dažniu (ν), per proporcingumo, Plancko konstantą (h), arba kitaip, naudojant bangos ilgį (λ) ir šviesos greitį (c):

E = hν = hc / λ

 

arba momento lygtis:

p = h / λ

 

 

Einšteino teorijoje fotoelektronai išlaisvinami dėl sąveikos su atskirais fotonais, o ne visa banga. Fotono energija iškart perduodama elektronui ir šis išlaisvinamas iš metalo, jei ši energija (kuri, kaip pamename, proporcinga dažniui ν) viršija metalo darbinę funkciją (φ). Jeigu energija (=dažnis) pernelyg žema, elektronai neišlaisvinami.

Tačiau, jei fotonai yra energingesni, papildoma energija, viršijanti φ, paverčiama elektrono kinetine energija:

K_max = hν – φ

 

Šviečiant dvigubai daugiau šviesos, bus gaunama dvigubai daugiau fotonų ir bus išlaisvinama daugiau elektronų, bet tų individualių elektronų energija nepakis tol, kol nepakis šviesos energija, bet ne intensyvumas.

Maksimali kinetinė energija gaunama, kai išlaisvinami silpniausiai susieti elektronai, o kaip su tvirčiausiai įsikibusiais? Tokiais, kuriems fotonai suteikia tik tiek energijos, kiek reikia išsilaisvinimui, bet kurių kinetinė energija lygi nuliui? Prilyginę K_max nuliui, esant šiam jonizacijos dažniui (ν_c), gauname:

ν_c = φ / h

 

arba jonizacijos bangos ilgiui:

λ_c = hc / φ

 

Šios lygtys rodo, kodėl žemo dažnio šviesos šaltinis negali išlaisvinti elektronų iš metalo, tad ir nesukuria fotoelektronų.

Po Einšteino

Plačius fotoelektrinio efekto eksperimentus vykdė Robertas Millikanas 1915 m. ir jo darbas patvirtino Einšteino teoriją. 1921 m. Einšteinas už savo fotonų teoriją (pritaikytą fotoelektriniam efektui) laimėjo Nobelio premiją, o Millikanas ja pagerbtas 1923 m. (iš dalies ir dėl vykdytų fotoelektrinių eksperimentų).

Svarbiausia, fotoelektrinis efektas ir jo įkvėpta fotonų teorija sugriovė klasikinę šviesos kaip bangos teoriją. Nors niekas negalėjo paneigti, kad šviesa elgiasi kaip banga, po pirmojo Einšteino darbo buvo neabejotina, kad ji taip pat ir dalelė.

1921 m. Nobelio fizikos premija

© The Nobel Foundation

Albert Einstein

Nobelio fizikos premija 1921 m. buvo skirta Albertui Einšteinui „už jo nuopelnus teorinei fizikai, ir ypač už fotoelektrinio dėsnio atradimą“. Albertas Einšteinas Nobelio premiją gavo po metų, 1922-aisiais. Per 1921 m. atranką Nobelio fizikos komitetas nusprendė, kad nė vienas tų metų nominantų neatitiko Alfredo Nobelio testamente apibrėžtų kriterijų. Pagal Nobelio fondo statutą, tokiu atveju Nobelio premija gali būti rezervuojama kitiems metams, ir šis statuto straipsnis buvo pritaikytas. Taigi, Albertas Einšteinas Nobelio 1921 m. Nobelio premiją gavo metais vėliau, 1922 m.

Komentarai (0)