Physik

Einsteins Interpretation für den photoelektrischen Effekt


1905 schlug Einstein eine neue Theorie für das Licht vor, mit der sich anhand des fotoelektrischen Effekts nachweisen ließ, dass seine Ideen tatsächlich richtig waren.

Zunächst hatte Planck das Konzept der Energiequantisierung auf die Elektronen in den Wänden eines schwarzen Körpers beschränkt. Als er Energie ausstrahlte, breitete sie sich für ihn im Raum aus, so wie sich Wellen im Wasser ausbreiteten. Einstein wiederum schlug vor, die Energie in konzentrierten Paketen zu quantifizieren, die später aufgerufen werden sollten Photonen.

Einstein konzentrierte seine Aufmerksamkeit auf die Körperform, in der Licht emittiert und absorbiert wird, und nicht auf die Wellenform, die sich ausbreitet. Er argumentierte, dass Plancks Forderung, dass die Energie der von einer Quelle emittierten elektromagnetischen Wellen ein Vielfaches von sei hf implizierte, dass von einem nhf-Energiezustand zu einem Zustand übergegangen wird, dessen Energie war (n-1) hfwürde die Quelle einen diskreten Impuls elektromagnetischer Strahlung mit abgeben hf.

Es wurde zunächst angenommen, dass sich dieses Energiepaket auf einem kleinen Raumvolumen befindet und dort verbleibt, wenn es sich mit der Lichtgeschwindigkeit c von der Quelle wegbewegt.

Die Energie E des Pakets bzw. des Photons hängt mit der Frequenz f nach folgender Gleichung zusammen:

Bei dem photoelektrischen Effekt wird ein Photon von einem Elektron in der Photokathode vollständig absorbiert. Wenn es von der Metalloberfläche emittiert wird, ist die kinetische Energie der Elektronen gegeben durch:

Wo:

hf = einfallende absorbierte Photonenenergie;

w = Arbeitsaufwand zur Entfernung von Elektronen aus Metall.

Einige Elektronen sind stärker gebunden als andere, so dass im Falle der schwächsten Bindung und ohne inneren Verlust das Photoelektron mit maximaler kinetischer Energie K austrittmax. Also:

Wobei w0, eine charakteristische Energie des Metalls, die Austrittsarbeit genannt wird, die minimale Energie ist, die ein Elektron benötigt, um die Metalloberfläche zu durchqueren und den Anziehungskräften zu entkommen, die es am Metall halten.

Da Kmax= eV0können wir die photoelektrische Effektgleichung wie folgt umschreiben:

Der Einwand, dass Kmax Abhängig von der Intensität der Beleuchtung stimmt die Photonentheorie mit den experimentell erhaltenen Ergebnissen voll überein: Die Verdoppelung der Lichtintensität verdoppelt einfach die Anzahl der Photonen und damit die Intensität des elektrischen Stroms, dies ändert jedoch nicht die HF-Energie jedes Photons. .

Was die Existenz einer Frequenzschwelle betrifft, lässt sich diese Idee leicht beseitigen, wenn die maximale kinetische Energie Null ist:

Dies bedeutet, dass ein Photon der Frequenz f0 Es hat genau die Energie, die benötigt wird, um Photoelektronen auszustoßen, und somit keine übermäßige kinetische Energie.

Das Fehlen einer Verzögerung erklärt sich aus der Tatsache, dass die erforderliche Leistung in konzentrierten Paketen geliefert wird. Entgegen der landläufigen Meinung ist es daher nicht gleichmäßig über eine große Fläche verteilt, da, wenn Licht auf die Kathode fällt, mindestens ein Photon auf sie trifft, das sofort von einem Atom absorbiert wird. und wird die sofortige Emission eines Photons verursachen.

Schließlich besagt Einsteins Modell, dass ein Photon der Frequenz f genau die Energie hf hat, nicht ein Vielfaches von hf. Es ist jedoch offensichtlich, dass, wenn es sich um n Photonen mit der Frequenz f handelt, die Energie bei dieser Frequenz nhf ist.