Effet photoélectrique et prix Nobel d'Einstein 1921

le effet photoélectrique pose un défi important à l’étude des optique dans la dernière partie des années 1800. Il a contesté la théorie classique des vagues de la lumière, qui était la théorie dominante de l'époque. C'est la solution à ce dilemme de la physique qui a propulsé Einstein au rang de la communauté de la physique, ce qui lui a finalement valu le prix Nobel de 1921.

Annalen der Physik

Lorsqu'une source de lumière (ou, plus généralement, un rayonnement électromagnétique) est incidente sur une surface métallique, la surface peut émettre des électrons. Les électrons émis de cette façon sont appelés photoélectrons (bien qu'ils ne soient encore que des électrons). Ceci est illustré dans l'image à droite.

En administrant un potentiel de tension négatif (la boîte noire dans l'image) au collecteur, il faut plus d'énergie aux électrons pour terminer le voyage et initier le courant. Le point auquel aucun électron ne parvient au collecteur est appelé

K_max = eV_s

Fonction Iwork phiPhi

Trois prédictions principales découlent de cette explication classique:

1. L'intensité du rayonnement doit avoir une relation proportionnelle avec l'énergie cinétique maximale résultante.
2. L'effet photoélectrique doit se produire pour n'importe quelle lumière, quelle que soit la fréquence ou la longueur d'onde.
3. Il devrait y avoir un délai de l'ordre de quelques secondes entre le contact du rayonnement avec le métal et la libération initiale de photoélectrons.

1. L'intensité de la source lumineuse n'a eu aucun effet sur l'énergie cinétique maximale des photoélectrons.
2. En dessous d'une certaine fréquence, l'effet photoélectrique ne se produit pas du tout.
3. Il n'y a pas de retard significatif (moins de 10^-9 s) entre l'activation de la source lumineuse et l'émission des premiers photoélectrons.

Comme vous pouvez le constater, ces trois résultats sont exactement à l'opposé des prédictions de la théorie des vagues. Non seulement cela, mais ils sont tous les trois complètement contre-intuitifs. Pourquoi la lumière à basse fréquence ne déclencherait-elle pas l'effet photoélectrique, car elle transporte toujours de l'énergie? Comment les photoélectrons se libèrent-ils si rapidement? Et, peut-être le plus curieusement, pourquoi l'ajout d'intensité n'entraîne-t-il pas une libération d'électrons plus énergétique? Pourquoi la théorie des vagues échoue-t-elle si complètement dans ce cas alors qu'elle fonctionne si bien dans tant d'autres situations

Albert Einstein Annalen der Physik

Bâtir sur Max Planckc'est rayonnement du corps noir théorie, Einstein a proposé que l'énergie du rayonnement ne soit pas distribuée en continu sur le front d'onde, mais plutôt localisée en petits faisceaux (appelés plus tard photons). L'énergie du photon serait associée à sa fréquence (ν), grâce à une constante de proportionnalité appelée Constante de Planck (h), ou alternativement, en utilisant la longueur d'onde (λ) et la vitesse de la lumière (c):

E = hν = hc / λ

ou l'équation de l'élan: p = h / λ

νφ

S'il y a cependant un excès d'énergie, au-delà φ, dans le photon, l'énergie excédentaire est convertie en énergie cinétique de l'électron:

K_max = hν - φ

L'énergie cinétique maximale résulte lorsque les électrons les moins étroitement liés se libèrent, mais qu'en est-il des plus étroitement liés; Ceux dans lesquels il y a juste assez d'énergie dans le photon pour le détacher, mais l'énergie cinétique qui se traduit par zéro? Réglage K_max égal à zéro pour cela fréquence de coupure (ν_c), on a:

ν_c = φ / h

ou la longueur d'onde de coupure: λ_c = hc / φ

Plus important encore, l'effet photoélectrique et la théorie des photons qu'il a inspirés ont écrasé la théorie classique des ondes de la lumière. Bien que personne ne puisse nier que la lumière se comportait comme une onde, après le premier article d'Einstein, il était indéniable qu'il s'agissait également d'une particule.