Theoretisch natuurkundige Albert Einstein ontving zijn Nobelprijs voor het ontrafelen van het mysterie van de kinetische energie van foto-elektronen. Zijn uitleg maakte de natuurkunde op zijn kop. Hij ontdekte dat de energie die door licht wordt gedragen niet afhankelijk was van de intensiteit of helderheid ervan - althans niet op de manier die natuurkundigen toen begrepen. De vergelijking die hij heeft gemaakt is eenvoudig. U kunt Einstein's werk in slechts enkele stappen dupliceren.

Bepaal de golflengte van het invallende licht. Foto-elektronen worden uit een materiaal gestoten wanneer licht op het oppervlak valt. Verschillende golflengten zullen resulteren in verschillende maximale kinetische energie.

U kunt bijvoorbeeld een golflengte kiezen van 415 nanometer (een nanometer is een miljardste van een meter).

Bereken de frequentie van het licht . De frequentie van een golf is gelijk aan de snelheid gedeeld door de golflengte. Voor licht is de snelheid 300 miljoen meter per seconde, of 3 x 10 ^ 8 meter per seconde.

Voor het voorbeeldprobleem is de snelheid gedeeld door de golflengte 3 x 10 ^ 8/415 x 10 ^ -9 = 7,23 x 10 ^ 14 Hertz.

Bereken de energie van het licht. De grote doorbraak van Einstein was bepalend voor het feit dat er licht kwam in kleine energiepakketten; de energie van die pakketten was evenredig met de frequentie. De constante van proportionaliteit is een getal dat de Constant van Planck wordt genoemd, wat 4.136 x 10 ^ -15 eV-seconden is. Dus de energie van een lichtpakket is gelijk aan de constante van Planck x de frequentie.

De energie van de lichtkwanta voor het voorbeeldprobleem is (4.136 x 10 ^ -15) x (7.23 x 10 ^ 14) = 2.99 eV.

Zoek de werkfunctie van het materiaal op. De werkfunctie is de hoeveelheid energie die nodig is om een ​​elektron los te maken van het oppervlak van een materiaal.

Selecteer bijvoorbeeld natrium, dat een werkfunctie heeft van 2,75 eV.

Bereken de overtollige energie gedragen door het licht. Deze waarde is de maximaal mogelijke kinetische energie van het foto-elektron. De vergelijking, die Einstein bepaalde, zegt (maximale kinetische energie van het elektron) = (energie van het energiepakket van het invallende licht) minus (de werkfunctie).

De maximale kinetische energie van het elektron is bijvoorbeeld: 2,99 eV - 2.75 eV = 0.24 eV.

Tip

De werkfunctie voor de meeste materialen is groot genoeg om het licht dat nodig is om foto-elektronen te genereren, in het ultraviolette gebied van het elektromagnetische spectrum te brengen.