Kvanthypotesen och Fotoelektrisk effekt

Vi har i tidigare lektioner talat om temperaturstrålning, dvs. att alla objekt med en temperatur över den absoluta nollpunkten, sänder ut elektromagnetisk strålning. I synnerhet har vi tittat på svartkroppsstrålning, dvs. strålning från ett objekt vars emitterade strålning bara beror på objektets temperatur.

Vi har också tidigare sett att man i slutet av 1800-talet antog att elektromagnetisk strålning, och därmed även synligt ljus, var en vågrörelse. Man tänkte sig även att strålningen kunde ha vilka energier som helst, dvs. att strålningen var kontinuerlig. Detta ledde dock till en massa orimligheter och var ett stort bekymmer för dåtidens fysiker.

I ett försök att lösa dessa problem föreslog fysikern Max Planck att elektromagnetisk strålning inte emitterades kontinuerligt utan att energin bara kunde emitteras i vissa bestämda ”portioner”, små energipaket med en bestämd energi, s.k. energikvanta. Han menade att varje energikvanta hade en energi som var proportionell mot frekvensen, och därmed även våglängden, enligt $E=hf=\frac{hc}{\text{λ}}$E=hƒ =hcλ , dvs. en högre frekvens motsvarar en högre energi och en kortare våglängd.

Den totala energin som sänds ut måste alltså vara en heltalsmultipel av detta energikvanta. Att strålningen bara kommer i bestämda ”energipaket” kallas ”kvanthypotesen”. Proportionalitetskonstanten $h$h kallas för Plancks konstant och har värdet $h=6,626\cdot10^{-34}$h=6,626·10⁻³⁴ Js.

Ett sätt att illustrera detta är att tänka att ökande total energi går i ”steg” snarare än som en kontinuerlig linje. Det finns alltså inga ”mellanvärden” i kvanthypotesen.

Med detta antagande kunde Planck konstruera sin strålningslag som vi pratade om i lektionen om svartkroppsstrålning. Lagen är ett samband mellan emittansen, temperaturen och de emitterade våglängderna från en svartkropp och att dess graf såg ut på följande sätt.

Kvanthypotesen kan sägas vara startskottet för den del av fysiken som kallas kvantfysik och som kom att prägla första halvan av 1900-talet.

Ett annat fenomen som var svårt att förklara vid den här tiden var att när man belyser en metall med ljus, som ju är elektromagnetisk strålning, så kan metallen sända ut elektroner. Detta kallas fotoelektrisk effekt.

Den fotoelektriska effekten kan förklaras om ljus ses som partiklar med energin $E_f=hf$E_ƒ =hƒ  . Dessa partiklar kan slita loss elektroner från en metallyta men bara om energin hos fotonen är över ett visst värde $hf\ge E_0$hƒ ≥E₀ som kallas utträdesarbetet.

Detta ger ju även att fotonen måste ha en viss frekvens, $f_0$ƒ ₀ som kallas gränsfrekvens eller tröskelfrekvens.

$E_0$E₀ och $f_0$ƒ ₀ är unika för olika metaller och beror på hur starkt ledningselektronerna är bundna till metallatomerna.

Om fotonerna har större energi än $E_0$E₀ så går ”överskottet” till rörelseenergi hos elektronerna.

Detta sammanfattas i den fotoelektriska ekvationen: $E_k=hf-E_0$E_k=hƒ −E₀ .

Einstein fick Nobelpriset för denna upptäckt år 1921.