Efekt fotoelektryczny

Historia: Efekt fotoelektryczny Odkrycie promieni katodowych w połowie XIX wieku zaowocowało wybuchem eksperymentów przeprowadzanych przez różnych fizyków w Europie. Prace te doprowadziły nie tylko do odkrycia przez J.J. Thomsona elektronu ale również do wielu innych odkryć. Jednym ze skutków było odkrycie zjawiska fotoelektrycznego. Historia promieni katodowych i wielu ważnych odkryć z nimi związanych jest ważnym przykładem znaczenia badań podstawowych. Nowe odkrycia były zachętą dla innych naukowców do myślenia "A co jeśli ...". Postępując zgodnie ze swoimi przeczuciami i ciekawością otwierali nowe ścieżki. Niektóre z tych badań mają charakter czysto indukcyjny ale niektóre, jak fotoelektryczny eksperyment Millikana, są wyraźnie dedukcyjne, testujące przewidywania nowej teorii. Heinrich Hertz – 1887 Heinrich Hertz jest najbardziej dziś znany z tego, że jako pierwszy empiryczne wykazał istnienie fal elektromagnetycznych (weryfikując w ten sposób teorię fal elektromagnetycznych słynnego Maxwella). Jednak w 1887 roku Hertz przyczynił się także do odkrycia efektu fotoelektrycznego gdy zauważył, że naładowane obiekty oświetlone światłem ultrafioletowym rozładowują się dużo szybciej, w porównaniu do naładowanych nie oświetlonych obiektów. Hertz nie analizował dalej zaobserwowanego przez siebie zjawiska, a ograniczył się jedynie do publikacji swoich wyników. Aleksandr Stoletow – 1888 W 1888 rozpoczął badania fotoefektu, odkrytego rok wcześniej przez Hertza, a w 1889 opublikował ich rezultaty.Przeprowadzając serię oryginalnych eksperymentów Stoletow odkrył pierwsze prawo fotoefektu (zwane prawem Stoletowa), zgodnie z którym natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do intensywności padającego światła. 1 J. J. Thomson – 1889 Używając lampy katodowej, opracowanej do badania promieniowania katodowego, Thomson eksperymentował ze światłem ultrafioletowym kierowanym na katodę i wykazał, że powstający przy tym prąd ma te same właściwości co promieniowanie katodowe. Philipp Lenard – 1902 Philipp Lenard był uczniem Heinricha Hertza. Lenard rozpoczął badanie promieni katodowych w 1888 roku, odtwarzając niektóre z prac eksperymentalnych Thomsona. W 1902, Lenard wykonał serię eksperymentów, badając zależność między promieniowaniem powstającym w lampie, a intensywnością i częstotliwością światła padającego na powierzchnię katody oraz dokonując pomiaru potencjału zatrzymującego produkowane promienie. Promienie te miały takie same właściwości co promienie katodowe, kóre, jak już wykazał Thomson w eksperymencie wyznaczającym ​
e/m​
, są strumieniem elektronów. W związku z tym przyjął, że to elektrony są emitowane, w wyniku oświetlania światłem powierzchni metalu, a ten nowy efekt stał się znany jako efekt fotoelektryczny. Elektrony wytworzone w ten sposób są zwykle nazywane ​
fotoelektronami​
, aby wskazać ich pochodzenie. Badania Lenarda nad efektem fotoelektrycznym prowadzą do kilku ważnych wniosków. ● Istnieje pewna charakterystyczna częstotliwość graniczna poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi. Gdy ta ​
minimalna częstotliwość ​
zostanie przekroczona, natychmiast dochodzi do emisji fotoelektronów. ● Zmieniając natężenie światła i mierząc napięcie hamowania fotoelektronów, Lenard wykazał, że maksymalna energia kinetyczna elektronów (​
max Ek = ​
q V stop ​
) jest niezależna od natężenia światła. ● Zmieniając częstotliwość światła i mierząc napięcie hamowania odkrył, że maksymalna energia kinetyczna elektronów (​
max Ek = ​
q V stop ​
) jest większa dla większych częstotliwości (krótszych długości fal) światła. Niestety, wyniki Lenarda były głównie jakościowe, bo ze względu na ograniczenia swojego sprzętu, nie był w stanie uzyskać szczegółowych relacji ilościowych. Lenard znany był ze swych antysemickich i faszystowskich poglądów. Albert Einstein – 1905 Odkrycie zjawiska fotoelektrycznego, a zwłaszcza charakterystyk określonych przez Lenarda, stworzyło poważne problemy dla istniejącej klasycznej teorii światła zakładającej, że jest ono falą elektromagnetyczną. Teoria ta nie była w stanie wyjaśnić wielu zależności jakościowych, które zostały zebrane i potwierdzone przez różnych naukowców. Śmiałym posunięciem, Albert Einstein stworzył matematyczny 2 opis zjawiska fotoelektrycznego oparty na założeniu, że światło składa się z dyskretnych porcji energii lub kwantów, zwanych teraz fotonami. Pomysł kwantów światła pochodzi od Maxa Plancka z jego badań z 1901 roku nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Ówcześnie pomysł był mało znany i rozumiany. Nawet sam Planck uważał, że kwanty światła są jedynie matematyczną sztuczką, pozwalającą jego równania dopasować do danych eksperymentalnych. Mówił, że jego hipoteza była "... aktem desperacji ...". W swojej słynnej pracy z 1905, Einstein pisał (notacja zmieniona do współczesnych symboli): … Zgodnie z ideą, że padające światło składa się z kwantów o energii hf, emisję promieni katodowych za pomocą światła można rozumieć w następujący sposób. Kwanty energii przenikają przez warstwę powierzchni ciała, a ich energia jest przekształcana, przynajmniej w części, na kinetyczną energię elektronów. W najprostszym wyobrażeniu, kwant światła przekazuje całą swoją energię pojedynczemu elektronowi; będziemy zakładać, że tak się dzieje. Nie można, jednak, wykluczyć możliwości tego, że elektrony otrzymują tylko część energii kwantu światła. Elektron, mający energię kinetyczną wewnątrz ciała, może stracić jej część, do czasu, gdy osiągnie powierzchnię. Ponadto, należy przyjąć, że każdy elektron opuszczający ciało, musi wykonać pewną pracę W (która jest charakterystyczna dla ciała). Elektrony wyrzucane bezpośrednio z powierzchni, prostopadle do niej, będą miały największe prędkości prostopadłe do powierzchni. Maksymalna energia kinetyczna takiego elektronu wynosi max Ek = hf ­ W Jeśli płyta C jest naładowana do dodatniego potencjału Vstop, dużego tylko na tyle, aby zatrzymać utratę ładunku elektrycznego, musimy mieć max Ek = hf ­ W = ​
q V stop … Jeśli otrzymany wzór jest poprawny, to wykres V stop w funkcji częstotliwości światła padającego, powinien być prostą, której nachylenie powinno być niezależne od rodzaju substancji oświetlonej. (zgodnie z cytatem w: Project Physics, Unit 5, Models of the Atom, pp. 45­6, ©1975, Harvard Project Physics. Tłumaczenie Edukator.pl) Była to nie tylko śmiała nowa hipoteza, ale również specyficzne przewidywanie wyników doświadczalnych, które nie były znane w tym czasie. Testowanie prognoz Einsteina nie było zrealizowane aż do 1914 roku, kiedy to Robert Millikan przeprowadził swoje fotoelektryczne eksperymenty. 3