Фотоэффект и Нобелевская премия

Суть фотоэлектрического эффекта состоит в том, что свет падающий на поверхность металла, выбивает из него определенное количество электронов. Получив энергию необходимую для преодоления своей связи с ядрами атомов металла, электроны вылетают с определенной скоростью. В 1921 году Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике «за заслуги перед теоретической физикой, и в особенности за объяснение закона фотоэлектрического эффекта». Так за что же собственно? Ведь в общих чертах все очень просто. Дело в том, что результаты эксперимента вдруг разошлись с ожиданиями. Итак в ходе нашего эксперимента будем подсчитывать количество вылетающих электронов и их скорость. Мы увидим что увеличивая интенсивность света, мы получим большее количество вылетающих электронов, но скорость каждого из них останется неизменной. Чтобы увеличить скорость, нужно изменить цвет света, например с красного на синий. Однако, принимая во внимание что свет это волна, логично было бы предположить что именно более высокая интенсивность приведет к более высокой скорости вылетающих электронов, ведь чем выше интенсивность света, тем больше амплитуда волны. Например большая морская волна скорее собьёт вас с ног, чем мелкая. Теперь подробнее - световая волна связана с колеблющимся электрическим полем. Электрическое поле меняется от положительного к отрицательному, снова к положительному и опять к отрицательному с частотой, соответствующей свету. Электрон в металле тянет в одном направлении, когда поле положительно, и тащит в другом направлении, когда поле отрицательно. Эти колебания электрического поля толкают электрон взад и вперёд. Согласно классической теории, если волна имеет достаточную амплитуду, она выбивает электрон из металла. Если амплитуда волны больше (интенсивность выше), она толкает электрон сильнее, и он должен вылететь из металла с более высокой скоростью. Вот так примерно это могло бы выглядеть.

Но мы уже знаем что, большую скорость придаст электрону только более коротковолновый свет, без всякой связи с его интенсивностью. Конечно более коротковолновый свет обладает большей энергией, но имея возможность значительно повышать интенсивность света, мы должны таки добиться и более высокой скорости электрона, но этого не происходит.
Эйнштейн решил эту проблему так. Он представил свет состоящим из дискретных квантов — «частиц» света, называемых фотонами. При фотоэлектрическом эффекте один фотон толкает один электрон и выбивает его из металла. Выглядит это так.

Чем выше интенсивность света, тем больше фотонов содержит луч. В отличие от волновой модели, увеличение интенсивности не приводит к усилению толчка, получаемого электроном, оно связано лишь с ростом числа фотонов, выбивающих соответственно больше электронов. Все фотоны, независимо от их количества, бьют по электронам с одной и той же силой. Поэтому электроны вылетают с одинаковой скоростью независимо от интенсивности света. В свою очередь энергия фотона зависит от его частоты. Вот почему красный свет порождает более медленные электроны, чем голубой. Частота красного света ниже, чем голубого. Поэтому красный фотон менее энергичен, чем голубой.
Трактовка Эйнштейна результатов эксперимента красива и доступна для понимания. Он решил эту проблему словно головоломку из журнала (по крайней мере это так выглядит). Ирония ситуации в том что понятие кванта, введенное Планком и использованное Эйнштейном, послужило базой (и дало название) новой теории - квантовой механике, в которой уже ничего доступного для понимания нет.

написано по материалам этой статьи https://coollib.com/b/333228/read