Efeito Fotoelétrico e Prêmio Nobel de Einstein de 1921

o efeito fotoelétrico apresentou um desafio significativo ao estudo de óptica na última parte do século XIX. Desafiou o teoria clássica das ondas de luz, que era a teoria predominante da época. Foi a solução para esse dilema da física que catapultou Einstein para destaque na comunidade da física, ganhando o Prêmio Nobel de 1921.

Annalen der Physik

Quando uma fonte de luz (ou, mais geralmente, radiação eletromagnética) é incidente sobre uma superfície metálica, a superfície pode emitir elétrons. Os elétrons emitidos dessa maneira são chamados fotoelétrons (embora ainda sejam apenas elétrons). Isso é mostrado na imagem à direita.

Ao administrar um potencial de voltagem negativo (a caixa preta na imagem) ao coletor, é preciso mais energia para os elétrons concluirem a jornada e iniciarem a corrente. O ponto em que nenhum elétron chega ao coletor é chamado de potencial de parada V_se pode ser usado para determinar a energia cinética máxima K_max dos elétrons (que possuem carga eletrônica e) usando a seguinte equação:

K_max = eV_s

Função de trabalho phiPhi

Três previsões principais vêm dessa explicação clássica:

1. A intensidade da radiação deve ter uma relação proporcional com a energia cinética máxima resultante.
2. O efeito fotoelétrico deve ocorrer para qualquer luz, independentemente da frequência ou comprimento de onda.
3. Deve haver um atraso na ordem de segundos entre o contato da radiação com o metal e a liberação inicial dos fotoelétrons.

1. A intensidade da fonte de luz não afetou a energia cinética máxima dos fotoelétrons.
2. Abaixo de uma certa frequência, o efeito fotoelétrico não ocorre.
3. Não há atraso significativo (menos de 10^-9 s) entre a ativação da fonte de luz e a emissão dos primeiros fotoelétrons.

Como você pode ver, esses três resultados são exatamente o oposto das previsões da teoria das ondas. Não apenas isso, mas todos os três são completamente contra-intuitivos. Por que a luz de baixa frequência não desencadeia o efeito fotoelétrico, pois ainda carrega energia? Como os fotoelétrons são liberados tão rapidamente? E, talvez o mais curioso, por que adicionar mais intensidade não resulta em liberações de elétrons mais energéticas? Por que a teoria das ondas falha tão completamente nesse caso, quando funciona tão bem em tantas outras situações?

Albert Einstein Annalen der Physik

Construindo em Max Plancké Radiação de corpo negro teoria, Einstein propôs que a energia da radiação não é distribuída continuamente sobre a frente de onda, mas sim localizada em pequenos feixes (posteriormente denominados fótons). A energia do fóton seria associada à sua frequência (ν), através de uma constante de proporcionalidade conhecida como Constante de Planck (h) ou, alternativamente, usando o comprimento de onda (λ) e a velocidade da luz (c):

E = hν = hc / λ

ou a equação do momento: p = h / λ

νφ

Se, no entanto, houver excesso de energia, além φ, no fóton, o excesso de energia é convertido na energia cinética do elétron:

K_max = hν - φ

A energia cinética máxima ocorre quando os elétrons menos fortemente ligados se libertam, mas e os elétrons mais fortemente ligados; Aqueles em que existe somente energia suficiente no fóton para soltá-lo, mas a energia cinética que resulta em zero? Configuração K_max igual a zero para isso frequência de corte (ν_c), Nós temos:

ν_c = φ / h

ou o comprimento de onda de corte: λ_c = hc / φ

Mais significativamente, o efeito fotoelétrico e a teoria dos fótons que inspirou esmagaram a teoria clássica das ondas da luz. Embora ninguém pudesse negar que a luz se comportou como uma onda, após o primeiro artigo de Einstein, era inegável que também era uma partícula.