Vật lý

Giải thích của Einstein về hiệu ứng quang điện


Năm 1905, Einstein đã đề xuất một lý thuyết mới cho ánh sáng, sử dụng hiệu ứng quang điện để chứng minh liệu ý tưởng của ông có thực sự đúng hay không.

Ban đầu, Planck đã hạn chế khái niệm lượng tử hóa năng lượng chỉ ở các electron trong các bức tường của người đen. Đối với anh ta, khi anh ta tỏa năng lượng, nó lan truyền trong không gian, giống như sóng lan truyền trong nước. Đến lượt Einstein, đề xuất rằng năng lượng sẽ được định lượng trong các gói tập trung mà sau này được gọi là photon.

Einstein tập trung sự chú ý của mình vào dạng cơ thể trong đó ánh sáng được phát ra và hấp thụ, chứ không phải ở dạng sóng như nó truyền đi. Ông lập luận rằng yêu cầu của Planck rằng năng lượng của sóng điện từ phát ra từ một nguồn là bội số của hf ngụ ý rằng bằng cách chuyển từ trạng thái năng lượng nhf sang trạng thái có năng lượng (n-1), nguồn sẽ phát ra một xung bức xạ điện từ rời rạc với hf.

Ban đầu, họ cho rằng gói năng lượng này sẽ nằm trong một không gian nhỏ và sẽ vẫn ở đó khi nó di chuyển ra khỏi nguồn ở tốc độ c, tốc độ ánh sáng.

Năng lượng E của gói, hay đúng hơn là photon, có liên quan đến tần số f theo phương trình:

Trong hiệu ứng quang điện, một photon được hấp thụ hoàn toàn bởi một electron trong tế bào quang điện. Do đó, khi phát ra từ bề mặt kim loại, động năng của electron sẽ được cung cấp bởi:

Ở đâu:

hf = sự cố hấp thụ năng lượng photon;

w = công việc cần thiết để loại bỏ electron khỏi kim loại.

Một số electron liên kết mạnh hơn các electron khác, do đó, trong trường hợp liên kết yếu nhất và không bị mất bên trong, quang điện tử sẽ xuất hiện với động năng cực đại, Ktối đa. Vì vậy:

Trong đó w0, một năng lượng đặc trưng của kim loại, được gọi là hàm làm việc, là năng lượng tối thiểu cần thiết để một electron vượt qua bề mặt kim loại và thoát khỏi các lực hấp dẫn giữ nó với kim loại.

Vì Ktối đa= eV0, chúng ta có thể viết lại phương trình hiệu ứng quang điện như:

Sự phản đối mà Ktối đa Tùy thuộc vào cường độ chiếu sáng, lý thuyết photon hoàn toàn đồng ý với kết quả thu được bằng thực nghiệm: nhân đôi cường độ ánh sáng chỉ đơn giản là tăng gấp đôi số lượng photon và do đó tăng gấp đôi cường độ dòng điện, nhưng điều này không làm thay đổi năng lượng hf của mỗi photon. .

Đối với sự tồn tại của ngưỡng tần số, ý tưởng này dễ dàng bị loại bỏ khi động năng cực đại bằng không:

Điều này có nghĩa là một photon tần số f0 Nó có chính xác năng lượng cần thiết để đẩy các quang điện tử và do đó không có động năng dư thừa.

Việc không có sự chậm trễ được giải thích bởi thực tế là công suất cần thiết được cung cấp trong các gói tập trung. Do đó, trái với niềm tin phổ biến, nó không trải đều trên một khu vực rộng lớn, vì nếu có ánh sáng chiếu vào cực âm, sẽ có ít nhất một photon chiếu vào nó, sẽ bị một nguyên tử nào đó hấp thụ ngay lập tức. và sẽ gây ra sự phát xạ ngay lập tức của một photon.

Cuối cùng, mô hình của Einstein tuyên bố rằng một photon có tần số f có chính xác năng lượng hf, chứ không phải bội số của hf. Tuy nhiên, điều hiển nhiên là nếu chúng ta đang xử lý n photon có tần số f, năng lượng ở tần số đó sẽ là nhf.