iSES - Internet School Experimental System: Remote Laboratory

Remote Experiments

Vnější fotoefekt

Introduction

Na počátku 20. století fyzikální poznání mohlo úspěšně objasnit téměř všechny pozorované jevy v přírodě – s výjimkou dvou problémů:

záření absolutně černého tělesa a
podivné vlastnosti vnějšího fotoelektrického jevu.

První problém dokázal kolem roku 1900 vysvětlit Max Planck, když použil „pracovní hypotézu“, že světlo není vyzařováno spojitě, ale po jakýchsi balíčcích (kvantech) energie. Pro tato kvanta elektromagnetického vlnění se později vžilo označení foton. Již M. Planck předpokládal, že energie fotonu E_f přímo souvisí s frekvencí f elektromagnetického záření jednoduchým vztahem

E_f = h·f ,

(1)

kde h označuje tzv. Planckovu konstantu.

Obr. 1: Max Planck (vlevo) a mladý Albert Einstein (vpravo).

Druhý z jevů, stručně nazývaný vnější fotoefekt byl poprvé systematicky zkoumán v roce 1887 Heinrichem Hertzem. Při osvětlení kovové destičky se za určitých okolností objevil elektrický proud, který bylo možné měřit. Už v roce 1888 bylo jasné, že tento tzv. fotoproud je způsoben částicemi se záporným nábojem. Tyto částice byly později ztotožněny s elektrony, které v roce 1897 objevil J. J. Thompson.

Samotná podstata vnějšího fotoelektrického jevu, tedy že při osvětlení kovové destičky se z jejího povrchu začnou uvolňovat elektrony, byla přijata s pochopením. To se však nedalo říci o několika pozoruhodných vlastnostech měřeného fotoproudu:

Vnější fotoefekt nastal (fotoproud se objevil) jen v případě, že frekvence světla dopadajícího na kovovou destičku byla vyšší než jistá mezní frekvence f_m. Velikost mezní frekvence (též prahové frekvence) souvisela s materiálem osvětlené destičky. Důvod existence mezní frekvence byl velkou záhadou.
Ke vzniku fotoproudu při frekvencích nižších než mezní frekvence kupodivu nepomohlo ani zvýšení intenzity světla dopadajícího na fotokatodu. Pro vysvětlení vnějšího fotoefektu tedy selhaly klasické představy, že energie přenášená světlem je přímo úměrná intenzitě světla (tzn. druhé mocnině amplitudy intenzity elektrického pole).

I přes selhání klasických představ se všechny nečekané vlastnosti vnějšího fotoefektu podařilo najednou a jednoduše vysvětlit Albertu Einsteinovi v roce 1905, za což byl odměněn Nobelovou cenou za rok 1921. V té době vnější fotoefekt již nalezl široké uplatnění ve vědě i v praxi (např. fotonky jako rychlé detektory intenzity světla aj.).

S naším vzdáleným experimentem máte příležitost stát u kolébky kvantové fyziky, vydat se po stopách několika slavných fyziků a prožít s nimi zrod významné teorie moderní doby.