En general, el efecto fotoeléctrico significa que se emiten electrones cuando un haz de luz incide sobre una superficie metálica. Este fenómeno es muy extraño. Inicialmente, los electrones están unidos a los átomos de la superficie del metal. Curiosamente, cuando son iluminados por una determinada luz, estos electrones se vuelven inquietos e intentan escapar de sus átomos. Como el protagonista de este fenómeno es el "segundo jefe" de la luz y los electrones, todos lo llaman efecto fotoeléctrico.
Lo que es más interesante es que este efecto fotoeléctrico sigue siendo muy travieso. Esto no significa que mientras la superficie del metal esté iluminada por luz, definitivamente se generarán electrones. Para lograr esto, se deben imponer requisitos a la luz irradiada.
Se descubrió que para el mismo metal, en las mismas condiciones, el hecho de que la energía luminosa pueda expulsar electrones de la superficie del metal depende de la frecuencia de la luz (en luz visible, de púrpura a azul y a verde). De amarillo a rojo, la frecuencia disminuye gradualmente, siendo la luz violeta la frecuencia más alta y la luz roja la frecuencia más baja). Lo que es aún más sorprendente es que la luz con frecuencias más altas puede producir electrones con mayor energía, mientras que la luz con frecuencias más bajas no puede producir electrones en absoluto.
Entonces algunas personas piensan, ¿qué pasa si usamos luz fuerte de baja frecuencia (roja) o luz débil de alta frecuencia (púrpura)? Resulta que los electrones sólo reconocen la frecuencia pero no la intensidad. Incluso la luz más potente de baja frecuencia no puede eliminar medio electrón, y la luz de alta frecuencia más débil puede eliminar electrones. Pero en el caso de la luz de alta frecuencia, cambiar la intensidad de la luz puede cambiar el número de electrones.
Resumen: Cuando cierto tipo de luz incide sobre una superficie metálica, la superficie metálica puede emitir electrones, lo que es el efecto fotoeléctrico. El hecho de que la luz pueda incidir en los electrones en la misma superficie metálica depende de la frecuencia de la luz más que de la intensidad de la luz.
Heinrich Hertz fue un talentoso físico alemán. Sus maestros fueron los famosos Kirchhoff y Helmholtz. Hertz hizo grandes contribuciones al campo del electromagnetismo, por lo que la unidad de frecuencia, Hertz, lleva su nombre. El encuentro inesperado entre Hertz y el efecto fotoeléctrico comenzó con las ecuaciones de Maxwell y las ondas electromagnéticas.
En el siglo XIX, el gran Maxwell resumió las cuatro ecuaciones de la ley del campo eléctrico de Gauss, la ley del campo magnético de Gauss, la ley de inducción electromagnética de Faraday y la ley de Maxwell-Ampere en el grupo de Maxwell, explicando que cambiar el campo magnético produce un campo eléctrico, y cambiar el campo eléctrico produce un campo magnético, y predijo teóricamente la existencia de ondas electromagnéticas, unificando la electricidad y el magnetismo como nunca antes.
Pero Maxwell sólo demostró perfectamente la existencia de ondas electromagnéticas en teoría, pero en realidad no demostró la existencia de ondas electromagnéticas. A continuación le toca al señor Hertz aparecer como uno de los protagonistas de este artículo. El confirmador de la existencia de ondas electromagnéticas no fue otro que Hertz. Hertz confirmó la existencia de ondas electromagnéticas en su laboratorio, poniendo fin al establecimiento del electromagnetismo. Sin embargo, fue en el experimento que demostró la existencia de ondas electromagnéticas cuando Hertz abrió accidentalmente la puerta a la mecánica cuántica y descubrió la existencia del efecto fotoeléctrico.
En el experimento de Hertz para demostrar la existencia de ondas electromagnéticas, Hertz descubrió que cuando hay luz en un receptor de metal, es más probable que se produzcan chispas eléctricas. Esta es la versión original del efecto fotoeléctrico. Pero este fenómeno no atrajo suficiente atención por parte de Hertz. Hertz lo mencionó en su artículo, pero no lo estudió detenidamente. Desafortunadamente, Hertz no tuvo suficientes oportunidades para estudiarlo. Hertz tenía sólo 36 años cuando murió. Lo que Hertz no sabía era que su descubrimiento en realidad abrió la puerta a la mecánica cuántica. La gente suele pensar que si Dios puede permitir que Hertz viva más tiempo, tal vez se pueda avanzar en el desarrollo de la mecánica cuántica.
Hablando de Einstein, es posible que la gente haya oído hablar más sobre la relatividad especial y la relatividad general, pero la explicación del efecto fotoeléctrico es en realidad el clásico de Einstein, que le valió el Premio Nobel de Física.
Como se mencionó anteriormente, en el efecto fotoeléctrico, los electrones solo reconocen la frecuencia de la luz, no la intensidad de la luz. En la comprensión de la época, la luz era una onda y la intensidad de la onda representaba energía. Se puede decir que debido a que los electrones están unidos en órbitas por átomos, cuanto mayor sea la intensidad y la energía, más fácil debería ser eliminarlos. Pero, de hecho, si la frecuencia de la luz es baja, no importa cuán fuerte sea la intensidad, los electrones no se pueden expulsar. En otras palabras, la frecuencia de la luz determina si los electrones se pueden expulsar y la intensidad de la luz determina la cantidad de electrones. expulsado. Esto dejó a los científicos de la época muy desconcertados y desconcertados, hasta que nació el genio Einstein.
La forma en que Einstein resolvió este problema fue un poco diferente a la de otros. Tomó prestada la hipótesis cuántica del Sr. Planck (la hipótesis de Planck es que cuando un cuerpo negro absorbe o emite energía, no es continuo, sino que se divide en varias partes de energía, cuyo tamaño es igual a la constante de Planck multiplicada por la frecuencia. , esta parte de energía se llama cuántica).
En el efecto fotoeléctrico, cuanto mayor es la frecuencia, más fácil es impactar un electrón; la energía de un solo cuanto es igual a la constante de Planck h multiplicada por la frecuencia v. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor; la energía de un solo cuanto.
En el relámpago, Einstein de repente vio algo. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía de un solo cuanto. Entonces, ¿qué pasa si la luz no se distribuye continuamente, sino de forma cuántica? Todos los problemas se resuelven instantáneamente y se aumenta la frecuencia. Cuanto mayor sea la energía de un solo fotón, más fácil será alcanzar un electrón. La energía de un solo fotón es mayor que la energía de unión del átomo de metal al electrón, y el electrón puede ser golpeado. Esto explica por qué la frecuencia determina si los electrones pueden ser expulsados. Aumentar la intensidad de la luz corresponde a aumentar el número de cuantos de luz. Cuantos más cuantos de luz hay, más electrones se expulsan y la intensidad determina el número de electrones expulsados. Bueno señores, el efecto fotoeléctrico ya está perfectamente explicado.
Entonces Einstein escribió una ecuación basada en esta idea. El lado izquierdo del signo igual es la energía cinética del electrón eliminado y el lado derecho del signo igual es la energía de un solo fotón menos la energía mínima requerida para eliminar el electrón.
Lo que debemos tener en cuenta es que, aunque Einstein explicó con éxito el efecto fotoeléctrico, existe una premisa, y esta premisa es la hipótesis cuántica de Planck. Einstein cuantizó la luz aquí y creía que la luz es un tipo de fotón. En aquella época, la luz se consideraba una onda, y la onda era continua, mientras que el cuanto era discontinuo. El movimiento de Einstein es sin duda un desafío al sistema de física clásica original. Es una idea genial y una idea aparentemente desviada.
De hecho, después de que Planck propusiera la hipótesis cuántica, el propio Planck no creía realmente en qué era lo cuántico ni si existía. El propio Planck no estaba seguro. Einstein utilizó la teoría cuántica para explicar el efecto fotoeléctrico, que fue un trabajo pionero. No hay duda de que Einstein explicó con éxito el efecto fotoeléctrico utilizando la teoría cuántica, lo que sin duda es una gran afirmación de la corrección de la mecánica cuántica.
La explicación exitosa del efecto fotoeléctrico mediante la teoría cuántica ha inyectado un gran impulso al desarrollo de la mecánica cuántica. Es un desarrollo adicional de la teoría cuántica y un hito en el establecimiento de la teoría cuántica. Esto permitió a la gente traer oficialmente la teoría cuántica a la mesa y discutirla acaloradamente. Posteriormente, la teoría cuántica entró en un período de rápido desarrollo y Schrödinger, de Broglie, Heisenberg y Born abrieron la edad de oro de la mecánica cuántica.
Materiales de referencia:
1 Cao Tianyuan. ¿Dios juega a los dados? Historia de la Física Cuántica[M].2006.
2Feynman. Conferencias Feynman sobre Física[M].2000.
3 Zhou Shixun. Tutorial de Mecánica Cuántica Segunda Edición [M].2008.
4Zeng Jinyan. Mecánica cuántica[M].1990.