Stringtheorie: Einsteins Nobel Idee des Lichts

Photonen sind eine der fundamentalen Teilchen der Physik, Physiker hoffen, mit Hilfe der Stringtheorie zu erklären. Einstein erhielt den Nobelpreis nicht für Relativität, sondern für seine Arbeit in der Planckschen Idee des Quanten mit einem anderen Problem zu erklären - den photoelektrischen Effekt.

Er ging weiter, als Planck, was darauf hindeutet, dass alle elektromagnetische Energie wurde quantisiert. Licht, Einstein sagte, zog nicht in den Wellen, sondern in Paketen von Energie. Diese Pakete von Energie wurde genannt Photonen.

Das photoelektrischen Effekt tritt auf, wenn Licht auf bestimmte Materialien glänzt die dann Elektronen emittieren. Es ist fast, als ob das Licht klopft verlieren die Elektronen, wodurch sie das Material zu fliegen. Die photoelektrischen Effekt wurde erstmals im Jahre 1887 von Heinrich Hertz beobachtet, aber es weiterhin Physiker rätseln bis 1905 Erklärung des Einstein.

Moderne Solarzellen arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die photoelektrischen Effekt aus. Bestehend aus photoelektrischen Materialien, nehmen sie elektromagnetische Strahlung in Form von Sonnenlicht und wandeln es in freie Elektronen. Diese freien Elektronen dann durch Drähte laufen, einen elektrischen Strom zu erzeugen, die Geräte wie dekorative Lampen in Ihrem Blumenbeet oder NASA-Mars-Rovern mit Strom versorgen.

Zunächst hat der photoelektrische Effekt nicht scheinen, dass schwer zu erklären. Die Elektronen absorbiert die Energie des Lichts, das die Elektronen verursacht die Metallplatte zu fliegen. Physiker wusste immer noch sehr wenig über die Elektronen - und so gut wie nichts über das Atom - aber das machte Sinn.

Wie erwartet, erhöht, wenn Sie das Licht des Intensität (Die Gesamtenergie pro Sekunde durch den Strahl durch), auf jeden Fall mehr Elektronen emittiert wurden (siehe oben in der Figur). Es gab zwei unerwartete Probleme aber:

• Oberhalb einer bestimmten Wellenlänge, werden keine Elektronen emittiert - unabhängig davon, wie stark das Licht (wie im unteren Teil der Figur gezeigt).

• Wenn Sie die Intensität des Lichts zu erhöhen, wird die Geschwindigkeit der Elektronen nicht ändern.

  

Einstein sah eine Verbindung zwischen diesem ersten Problem und die von Max Planck konfrontiert UV-Katastrophe, aber in die entgegengesetzte Richtung. Je länger welliges Licht (oder Licht mit niedrigerer Frequenz) schlug fehl, Dinge zu tun, die durch das Licht kürzerer Wellenlänge (Licht mit einer höheren Frequenz) erreicht wurden.

Planck hatte eine proportionale Beziehung zwischen Energie und Frequenz erzeugt. Einstein tat wieder das, was er am besten an - er die Mathematik für bare Münze nahm und sie konsequent angewendet werden. Das Ergebnis war, dass die Hochfrequenz-Licht Photonen höherer Energie hatte, so war es der Lage, genügend Energie in das Elektron zu übertragen für sie lose geklopft zu werden.

Die niedrigere Frequenz Photonen haben nicht genügend Energie alle Elektronen zu helfen, zu entkommen. Die Photonen hatte Energie über einer bestimmten Schwelle zu haben, um die loose Elektronen klopfen.

In ähnlicher Weise ist das zweite Problem des noneffect von Licht der Intensität auf ein Elektron der Geschwindigkeit auch von Einstein Quanten Ansicht des Lichts gelöst. Jede Energie des Photons basiert auf seiner Frequenz (oder Wellenlänge), so dass die Intensität zu erhöhen ändert nicht die Energie von jedem Photonen- es nur die Gesamtzahl der Photonen erhöht.

Aus diesem Grund ist die Erhöhung der Intensität mehr Elektronen verursacht emittiert zu werden, sondern jedes Elektron behält die gleiche Geschwindigkeit. Die einzelnen Photon schlägt nach wie vor ein Elektron mit der gleichen Energie, aber mehr Photonen die gleiche Arbeit tun. Kein einzelnes Elektron erhält den Vorteil der Erhöhung der Intensität.

Basierend auf dem Prinzip, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant war (die Grundlage seiner speziellen Relativitätstheorie), wusste Einstein, dass diese Photonen immer mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen würde, c. Ihre Energie würde auf die Frequenz des Lichts proportional ist, bezogen auf das Plancksche Definitionen.