Photoelektroneneffekte
Die ersten Experimente zum Welle-Teilchen-Dualismus wurden vom deutschen Physiker Max Planck (1858-1947) durchgeführt. Unter Verwendung eines Schwarzkörperstrahlers (gleicher Emitter und Absorber von Strahlung bei allen Wellenlängen) leitete Planck die Gleichung für die kleinste Energiemenge ab, die in Licht umgewandelt werden kann
wobei h die Plancksche Konstante 6,626×10-34 J.S und v die Frequenz ist.
Er formulierte auch die Quantentheorie, indem er sagte, dass Licht, das emittiert wird, diskrete Energieniveaus hat, und dass die Energie, die ausgestrahlt wird, quantisiert ist;
E=nhv
(wobei n eine ganze Zahl ist und Null oder eine positive Zahl sein kann).
Die Quantisierung der Energie besagt, dass es diskrete Werte oder Zustände gibt, und Energien zwischen den Werten von n sind verboten. Wenn also x Teilchen mit einem bestimmten Frequenzwert vorhanden sind, dann ist die Energie
E=xhv
Die Frequenz hängt mit der Wellenlänge zusammen, wobei c=vλ oder v=c/λ
Ersetzen Sie v=c/λ in die obige Gleichung, haben wir
E=xhc/λ
Im Jahr 1905 nahm Einstein an, dass die diskreten Energien nach Planck Energiepakete sind, die Photonen genannt werden. Die Gesamtenergie eines Systems ist gleich der kinetischen Energie plus der potentiellen Energie, und wie immer gilt der Energieerhaltungssatz. Einstein erklärte, dass beim photoelektrischen Effekt die Energie eines jeden Photons von einem Elektron in einem bestimmten Metall absorbiert wird und das Elektron daraufhin ausstoßen kann, wenn die Energie des Photons gleich oder größer als die Schwellenenergie ist (Abbildung 2). Die Schwellenenergie ist die Energiemenge, die benötigt wird, um ein Elektron auszustoßen, und wird als Arbeitsfunktion Φ bezeichnet.
Da E=hv
können wir die Gleichung umschreiben, um zu zeigen, dass die Gesamtenergie gleich Φ plus der kinetischen Energie ist
E = Φ + KE = hv
Der photoelektrische Effekt zeigt, dass sich Licht wie ein Photon oder ein mit Energie gepacktes Teilchen verhält, mit anderen Worten, Lichtwellen verhalten sich wie Teilchen.
Nach der Teilchentheorie des Lichts wird die Lichtenergie auf einen diskreten und endlichen Wert ansteigen, es sei denn, λ geht auf Null, was nach der Theorie „Teilchen in einer eindimensionalen Box“ niemals geschehen wird. Dies hilft, die Beobachtung der Schwarzkörperstrahlung zu erklären.