Photoelectric Effect and the Particle Nature of Light
W 1905 roku, Albert Einstein (1879-1955) zaproponował, aby światło opisać jako kwanty energii, które zachowują się jak cząstki. Foton jest cząstką promieniowania elektromagnetycznego, która ma zerową masę i niesie kwant energii. Energia fotonów światła jest skwantowana zgodnie z równaniem E = h. Przez wiele lat światło było opisywane wyłącznie za pomocą pojęć falowych, a naukowcy wyszkoleni w fizyce klasycznej uważali, że ten falowo-cząsteczkowy dualizm światła jest trudny do zaakceptowania. Kluczowe pojęcie, które zostało wyjaśnione przez Einsteina przy użyciu cząsteczkowej natury światła, nosiło nazwę efektu fotoelektrycznego.
Efekt fotoelektryczny to zjawisko, które występuje, gdy światło padające na powierzchnię metalu powoduje wyrzucenie elektronów z tego metalu. Zauważono, że tylko niektóre częstotliwości światła są w stanie spowodować wyrzucenie elektronów. Jeśli częstotliwość padającego światła była zbyt niska (np. światło czerwone), to elektrony nie były wyrzucane, nawet jeśli natężenie światła było bardzo duże lub świeciło ono na powierzchnię przez długi czas. Jeśli częstotliwość światła była wyższa (np. światło zielone), to elektrony mogły być wyrzucane z powierzchni metalu, nawet jeśli natężenie światła było bardzo niskie lub świeciło ono na powierzchnię przez krótki czas. Ta minimalna częstotliwość potrzebna do spowodowania wyrzucenia elektronów jest określana jako częstotliwość progowa.
Fizyka klasyczna nie była w stanie wyjaśnić efektu fotoelektrycznego. Gdyby fizyka klasyczna została zastosowana do tej sytuacji, elektron w metalu mógłby w końcu zebrać wystarczającą ilość energii, aby zostać wyrzucony z powierzchni, nawet jeśli przychodzące światło miałoby niską częstotliwość. Einstein wykorzystał cząsteczkową teorię światła do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego, jak pokazano na poniższym rysunku.
Światło o niskiej częstotliwości (czerwone) nie jest w stanie spowodować wyrzucenia elektronów z powierzchni metalu. Przy lub powyżej częstotliwości progowej (zielony) elektrony są wyrzucane. Światło przychodzące o jeszcze wyższej częstotliwości (niebieskie) powoduje wyrzucenie tej samej liczby elektronów, ale z większą prędkością.
Rozważmy równanie \(E = h \). Jest to minimalna energia, która jest wymagana do wyrzucenia elektronu z metalu. Jeśli częstotliwość światła przychodzącego, \u0026apos; jest poniżej częstotliwości progowej, nigdy nie będzie wystarczającej energii, aby spowodować wyrzucenie elektronów. Jeśli częstotliwość jest równa lub wyższa niż częstotliwość progowa, elektrony zostaną wyrzucone. Gdy częstotliwość wzrasta ponad częstotliwość progową, wyrzucane elektrony po prostu poruszają się szybciej. Wzrost natężenia padającego światła, które jest powyżej częstotliwości progowej, powoduje wzrost liczby wyrzucanych elektronów, ale nie poruszają się one szybciej. Efekt fotoelektryczny jest wykorzystywany w urządzeniach zwanych ogniwami fotoelektrycznymi, które są powszechnie spotykane w przedmiotach codziennego użytku (takich jak kalkulatory), wykorzystujących energię światła do wytwarzania energii elektrycznej.
Ogniwa fotoelektryczne przekształcają energię świetlną w energię elektryczną, która zasila ten kalkulator.