W 1887 roku Hertz odkrył zjawisko emisji ujemnie naładowanych cząsteczek z metalu pod wpływem światła. Cząsteczki te jak się w toku późniejszych badań okazało są elektronami. Zjawisko to nazwane efektem fotoelektrycznym stało się polem badań wielu naukowców. Korzystali oni z urządzenia przedstawionego na poniższym rysunku.

Gdy na jedną z elektrod pada wiązka światła monochromatycznego powodując wybijanie zeń elektronów, które następnie padają na drugą elektrodę. Przez układ zaczyna więc płynąć prąd. Efekt ten można było w prosty sposób wytłumaczyć za pomocą klasycznych równań Maxwella. Światło to fala elektromagnetyczna i jak każda taka fala przenosi pewną energię. Może ją także przekazać napotkanym na drodze cząsteczkom, w tym wypadku elektronom powodując ich wybicie z metalu. Nie byłoby więc nic dziwnego w tym zjawisku, gdyby nie to, że teoria klasyczna dawała błędne przepowiednie co do jego przebiegu.

Po pierwsze teoria klasyczna mówiła, że ze wzrostem natężenia światła, którym oświetlamy elektrodę, liczba wybijanych z niej elektronów powinna wzrastać. Również maksymalna prędkość, z którą może poruszać się każdy z nich, powinna wzrastać. Powinno się tak dziać ponieważ zgodnie z teorią klasyczną energia fali elektromagnetycznej jest związana z jej amplitudą, a amplituda jest wprost proporcjonalne do natężenia fali.
Z drugiej strony maksymalna energia kinetyczna (maksymalna prędkość) elektronów nie powinna zależeć od częstotliwości padającej fali.

Niestety teoria klasyczna zawiodła.

Doświadczenia wykazało bowiem, że zwiększając częstość światła padającego na elektrodę zwiększa się właśnie energia kinetyczna elektronów. Faktycznie jest ona proporcjonalna do częstotliwości owego światła. Światło fioletowe (o większej częstotliwości) nadaje elektronom znacznie większe prędkości od światła czerwonego(o mniejszej częstotliwości). Zauważono również, że istnieje pewna granica częstotliwości, poniżej której z elektrody nie są emitowane w ogóle elektrony. Częstotliwość tą nazwano częstotliwością progową. Jej wartość zależy od rodzaju pierwiastku, z którego zrobiona jest elektroda. Jednak sama zależność wzrostu energii kinetycznej od częstotliwości światła jest dla wszystkich pierwiastków taka sama.
Z drugiej strony zauważono, że zwiększając natężenie padającego światła, nie zwiększamy prędkości wybitych elektronów.

W 1905 roku Albert Einstein podał nową teorię tłumaczącą zjawisko fotoelektryczne. Przyjął on w niej, że energia promieniowania elektromagnetycznego występuje, nie tak jak dotychczas sądzono, w postaci ciągłej, lecz w postaci pewnych porcji - kwantów, nazwanych fotonami. Energia fotonów rośnie ze wzrostem częstości promieniowania:

       (1)

Światło, składające się z fotonów o danej energii, padając na elektrodę wybija z niej elektrony. Elektrony absorbują po prostu fotony i przejmują całą ich energię. Jeżeli więc zwiększamy natężenie światła - ilość fotonów o danej energii wzrasta. Wybijają one większą liczbę elektronów, przekazując każdemu z nich taką samą energię jak przy mniejszym natężeniu światła. Jeśli natomiast zwiększy się częstotliwość światła, zwiększy się energia fotonów. Fotony przekazują elektronom większą niż poprzednio energię - nadają im większe prędkości.

Korzystając z zasady zachowania energii Einstein zapisał:

       (2)

gdzie: E_k - maksymalna energia wybitego elektronu, F - energia fotonu, W - praca potrzebna do wyrwania elektronu z elektrody (praca wyjścia - charakterystyczna dla danego metalu). Wiemy jednak już, że:

       (3)

A więc:

     (4)

Maksymalna energia kinetyczna elektronów może zostać zmierzona. W tym celu pomiędzy elektrody przykładamy pewne napięcie, które hamuje lecące elektrony. Wolniejsze elektrony przestają docierać do elektrody, jednak te o największej energii nadal do niej docierają. Zwiększając powoli napięcie, znaleźć można takie, przy którym żaden elektron nie dochodzi do elektrody (przestaje przez obwód płynąć prąd). Napięcie takie nazywa się napięciem hamującym - V. Maksymalna energia elektronu (ładunek e) dana jest więc wzorem:

       (5)

Po podstawieniu równań (4), (5) do (2) jest:

       (6)

Zgodnie z uzyskanym równaniem wykres V od częstości promieniowania jest liniowy. Nachylenie prostej określone jest stałą wielkością h/e. Ponieważ wielkość W zależy od metalu, z którego zbudowana jest elektroda to wykresy V od n dla różnych metali są liniami prostymi o jednakowych kątach nachylenia, ale różnych miejscach zerowych. Badając kąty nachylenia wykresów, znając wartość e, można obliczyć dokładną wartość h.

Delphi 4 ActiveX

You should see your Delphi 4 forms or controls embedded in the form below.

Jak widzimy teoria zaproponowana przez Einsteina bardzo dobrze wytłumaczyła obserwowane fakty. Rodziła się fizyka kwantowa.

 ZJAWISKO COMPTONA