Efectul fotoelectric și natura particulară a luminii
În 1905, Albert Einstein (1879-1955) a propus ca lumina să fie descrisă ca fiind cuante de energie care se comportă ca particule. Un foton este o particulă de radiație electromagnetică care are masă zero și care poartă o cuantă de energie. Energia fotonilor de lumină este cuantificată în conformitate cu ecuația \(E = h \nu\). Timp de mulți ani, lumina a fost descrisă folosind doar concepte ondulatorii, iar oamenii de știință pregătiți în fizica clasică au considerat că această dualitate undă-particulă a luminii este o idee greu de acceptat. Un concept cheie care a fost explicat de Einstein folosind natura de particulă a luminii a fost numit efectul fotoelectric.
Efectul fotoelectric este un fenomen care apare atunci când lumina care strălucește pe o suprafață metalică provoacă ejectarea de electroni din acel metal. S-a observat că numai anumite frecvențe de lumină sunt capabile să provoace ejecția de electroni. Dacă frecvența luminii incidente era prea mică (lumina roșie, de exemplu), atunci nu se producea nicio ejecție de electroni, chiar dacă intensitatea luminii era foarte mare sau dacă aceasta era proiectată pe suprafață pentru o perioadă lungă de timp. Dacă frecvența luminii era mai mare (lumină verde, de exemplu), atunci electronii puteau fi expulzați de pe suprafața metalică, chiar dacă intensitatea era foarte mică sau dacă lumina era expusă doar pentru o perioadă scurtă de timp. Această frecvență minimă necesară pentru a provoca ejectarea electronilor este denumită frecvență de prag.
Fizica clasică nu a reușit să explice efectul fotoelectric. Dacă fizica clasică ar fi fost aplicată acestei situații, electronul din metal ar fi putut, în cele din urmă, să colecteze suficientă energie pentru a fi ejectat de pe suprafață, chiar dacă lumina primită era de frecvență joasă. Einstein a folosit teoria particulelor luminii pentru a explica efectul fotoelectric, așa cum se arată în figura de mai jos.
Lumina de frecvență joasă (roșie) nu este capabilă să provoace ejectarea electronilor de pe suprafața metalului. La sau peste frecvența de prag (verde), electronii sunt ejectați. Chiar și lumina care ajunge la o frecvență mai mare (albastru) provoacă ejectarea aceluiași număr de electroni, dar cu o viteză mai mare.
Considerați ecuația \(E = h \nu\). \(E\) este energia minimă care este necesară pentru ca electronul metalului să fie ejectat. Dacă frecvența luminii primite, \(\nu\), este sub frecvența de prag, nu va exista niciodată suficientă energie pentru a determina ejectarea electronilor. În cazul în care frecvența este egală sau mai mare decât frecvența de prag, electronii vor fi ejectați. Pe măsură ce frecvența crește dincolo de prag, electronii ejectați se mișcă pur și simplu mai repede. O creștere a intensității luminii primite care depășește frecvența de prag determină creșterea numărului de electroni ejectați, dar aceștia nu se deplasează mai repede. Efectul fotoelectric este aplicat în dispozitive numite celule fotoelectrice, care se găsesc în mod obișnuit în obiectele de zi cu zi (cum ar fi un calculator) care utilizează energia luminii pentru a genera electricitate.
Celele fotoelectrice convertesc energia luminii în energie electrică, care alimentează acest calculator.