Heute sehen wir den photoelektrischen Effekt als einen der einfachsten empirischen Beweise, die zur Quantenphysik führen. Die historische Entwicklung des Themas scheint jedoch viel kompliziertere und indirektere Beweise wie die Schwarzkörperstrahlungskurve beinhaltet zu haben.
In Lehrbüchern und Laborhandbüchern wird häufig prominent über den Photoeffekt berichtet, dass die Bremsspannung unabhängig von der Lichtintensität ist. Diese Tatsache lässt sich mit dem Photonenmodell leicht erklären. Auch findet man in Lehrbüchern oft Aussagen, dass nach „der klassischen Theorie“ die Bremsspannung mit der Intensität des Lichts hätte steigen müssen.
Allerdings ist es für mich überhaupt nicht offensichtlich, dass eine solche klassische Theorie konstruiert werden kann. Insbesondere bezweifle ich, dass man ein klassisches Modell konstruieren kann, das die folgenden Vorhersagen macht: (P1) der photoelektrische Effekt tritt bei festen Metallen auf, (P2) es gibt eine endliche Stoppspannung, und (P3) diese Stoppspannung steigt mit der Intensität von das Licht. Beachten Sie, dass wir, wenn das Modell P1 und P2 nicht vorhersagt, nicht einmal sinnvoll fragen können, ob es P3 vorhersagt.
Wie war die tatsächliche historische Situation? Ich kann mir mindestens fünf Szenarien vorstellen.
(a) Der photoelektrische Effekt in einer Festmetallkathode war eine vollständige Kuhnsche Anomalie. Physiker, die innerhalb des klassischen Paradigmas ausgebildet wurden, hätten keine vielversprechenden Angriffslinien gesehen und wären nicht einmal in der Lage gewesen, ein teilweise erfolgreiches Modell zu konstruieren. Deshalb ignorierten sie es und arbeiteten an anderen Problemen.
(b) Es gab tatsächlich ein klassisches Modell, das veröffentlicht oder öffentlich diskutiert wurde, das P1-P3 vorhersagte.
(c) Die Leute bauten und diskutierten Modelle, die ähnliche Vorhersagen wie P1-P3 im Fall eines freien Elektrons oder vielleicht einer gasförmigen Kathode lieferten. Die Modelle konnten einfach nicht auf eine Vollmetallkathode erweitert werden.
(d) Lehrbuchautoren, die sich auf das „klassische Modell“ beziehen, verwenden eine schlampige Sprache oder haben die tatsächliche Geschichte nicht studiert; Es gibt tatsächlich ein Modell, das P1-P3 vorhersagt, aber es ist kein rein klassisches Modell. Es ist eine Art Hybrid wie die Bohr-Kramers-Slater-Theorie.
(f) Wenn man sich den historischen Abschnitt des WP-Artikels über den photoelektrischen Effekt ansieht , scheint es, dass Lehrbuchdarstellungen einen irreführenden Eindruck von der historischen Abfolge vermitteln könnten. Es scheint, dass die Beweise vor 1905 größtenteils sehr grob und qualitativ waren. Aufgrund des Mangels an quantitativen Daten gab es möglicherweise wenig Motivation, sich ernsthaft mit der Modellbildung zu befassen.
Kann jemand erklären, was tatsächlich passiert ist?
Einsteins Arbeit von 1905 enthält zu diesem Thema Folgendes (Übersetzung von D. Ter Haar?):
Soweit ich sehen kann, stehen unsere Vorstellungen nicht im Widerspruch zu den von Mr. Lenard beobachteten Eigenschaften der photoelektrischen Wirkung. [Unter der Quantenhypothese] wird die Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen ... unabhängig von der Intensität des einfallenden Lichts sein ...
Er behauptet nicht weiter, dass eine solche Beobachtung der klassischen Theorie widersprechen würde. Einstein bezieht sich auf Lenards Arbeit von 1902, die zeigte, dass das Stopppotential mit der Frequenz des Lichts zunahm, aber unabhängig von der Intensität war.
Kurz gesagt, hier ist der Grund, warum es für mich nicht offensichtlich ist, dass jedes klassische Modell P1-P3 erzeugen kann. Ich behaupte nicht, dass ich Recht habe – ich versuche nur zu erklären, warum ich Zweifel an der Existenz eines solchen Modells habe. In einem klassischen Modell einer Festmetallkathode sind die Leitungselektronen ein klassisches Gas mit einer Maxwellschen Geschwindigkeitsverteilung. Sichtbares Licht hat eine Wellenlänge, die viel länger ist als der mittlere Abstand zwischen Elektronen, und deshalb erwärmt es eigentlich nur die Kathode. Unabhängig von der Temperatur hat die Maxwellsche Verteilung einen Hochgeschwindigkeitsschwanz, dessen Energie größer als die Austrittsarbeit ist, sodass Elektronen mit einer gewissen Geschwindigkeit von der Oberfläche emittiert werden. Es gibt keine scharfe Abschaltung zu diesem Ende und daher gibt es keine wohldefinierte Stoppspannung.
"Serious" im OP-Sinne ist wahrscheinlich eine zu hohe Messlatte. In den 1900er Jahren war die Situation sehr im Fluss, was die klassische Physik erklären konnte und was nicht. Sogar Plancks und Einsteins Ideen, die wir heute mit der Quantenmechanik assoziieren, wurden damals in scheinbar klassische Ansätze integriert. Aber was die Szene beherrschte, waren eher qualitative Hypothesen als sorgfältig konstruierte Theorien mit ausgeschriebenen Vorhersagen.
Zwischen 1902, als Lenard die Unabhängigkeit des Photoeffekts von der Lichtintensität feststellte, und 1911 war die vorherrschende Erklärung Lenards eigene "Triggering Hypothese". Demnach „ hat das Licht nur eine auslösende Wirkung, ähnlich wie der Zünder beim Abfeuern einer geladenen Waffe “, wie es Lenard selbst in seinem Nobelpreisvortrag von 1906 ausdrückte . Es passte auch zu seinem Atommodell, das Bohrs Modell in einigen Aspekten vorwegnahm, aber beide waren qualitativ, nicht quantitativ.
Obwohl Lenards Experimente Einsteins „Photoeffekt“-Artikel von 1905 inspirierten, fanden seine Lichtquanten erst 1911 viel Anklang, als Lenard selbst die auslösende Hypothese widerlegte, indem er zeigte, dass die Ionisierung in Gasen durch ultraviolettes Licht keine starke Ionisierung ohne Begleitung durch Absorption des Lichts erzeugt. Genauere Experimente mit Gas wurden erst 1908 von Langevin und Bloch und mit Metallen 1914 von Millikan durchgeführt. Ein detaillierter historischer Bericht ist Wheatons Philipp Lenard and the Photoelectric Effect, 1889-1911 :
"Lenards weitgehend leeres Atom, das charakteristische Spektrallinien aussendet, wenn freie Elektronen in der dynamischen Atomstruktur ins Gleichgewicht zurückkehren, erinnert an das Atom, das fünf Jahre später von Niels Bohr vorgeschlagen wurde. Aber es gibt grundlegende Unterschiede. Lenards Theorie war nie eine quantitative Atomtheorie. Vor allem wegen seines bemerkenswerten experimentellen Geschicks fanden seine Ideen über Atome in Deutschland Unterstützung. Seine auslösende Hypothese für den photoelektrischen Effekt verlangte, dass jedes Elektron innerhalb des Atoms eine Geschwindigkeit hat, die in einem konsistenten Verhältnis zu seiner mechanischen Frequenz steht. Das spezifische Verhältnis von Frequenz zu Geschwindigkeit für jedes Kathodenmaterial konnte nur experimentell bestimmt werden. Der photoelektrische Effekt sagte nicht voraus, wie die Beziehung sein würde, er machte sie nur der Beobachtung zugänglich.
1909 wurde Lenards auslösende Hypothese von einem sachkundigen Rezensenten in die „allgemein anerkannten Wahrheiten der Physik“ aufgenommen. Albert Einstein, der Lenards experimentelle Arbeit zum Photoeffekt als „Pfadfindung“ bezeichnete, schlug 1905 eine alternative Interpretation vor. Aber Einsteins Lichtquanten, die Lenards Ergebnisse auf Kosten der Zurückweisung klassischer Wellenstrahlung erklärten, hatten zu Beginn des Jahrhunderts wenig Unterstützung. Einstein hatte vorausgesagt, dass eine kontinuierliche lineare Beziehung zwischen Frequenz und Stopppotential gefunden werden würde. Aber die empirischen Daten waren bis 1915 zweifelhaft. Mit einem geeigneten Atommodell, wie es 1910 und 1913 von Thomson vorgeschlagen wurde, konnte sogar das Einstein-Gesetz mit dem Auslösemechanismus in Einklang gebracht werden. "
Auch Einsteins Lichtquanten-Ideen schienen damals mit der klassischen Physik vereinbar. Einstein und Lorentz korrespondierten 1909 über Lichtquanten. Lorentz arbeitete gerade die klassische Theorie der Schwarzkörperstrahlung bis ins kleinste Detail aus und kritisierte scharf „ punktförmige Energiemengen oder zumindest auf sehr kleine Räume konzentrierte Energiemengen “, die Einstein zu sein schien Postulat. Klassische Erklärungen für die Diskretisierung von Energie im Photoeffekt schienen erreichbar. Schon Einstein distanzierte sich von „punktförmigen Lichtquanten“ und bot eine Beschreibung an als „ Singularitäten, die von einem Vektorfeld umgeben sind, dessen Stärke mit zunehmender Entfernung abnimmt. Die Feldenergie hängt dann irgendwie mit der Anzahl dieser Singularitäten zusammen.Der Kampf von Hendrik Antoon Lorentz mit der Quantentheorie von Kox .
Eine ähnliche Dynamik geschah mit Plancks Strahlungsformel für schwarze Körper . Die statistische Mechanik im Allgemeinen und das Gleichverteilungstheorem im Besonderen standen unter Verdacht. Planck und sogar Jeans und Lorentz hatten Zweifel an der Allgemeingültigkeit des Gleichverteilungssatzes. Dass die klassische Theorie zur „Ultraviolett-Katastrophe“ führt, wurde erst in Lorentz' Rom-Vortrag 1908 klar. Laut Kuhns Quellenstudie hatte auch Planck bis 1906 den Eindruck, klassische Physik zu betreiben. 1908, als Lorentz zugab, dass man „nur mit Hilfe der Hypothese der Energieelemente zum richtigen Strahlungsgesetz gelangen kann" verlagerte sich der Fokus vom rein klassischen Ansatz zur Identifizierung der Quelle der "Diskontinuität": lag sie in der Materie, in ihrer Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld oder im Feld selbst? Und später dazu, Maxwells Wellen mit Plancks Quanten in Einklang zu bringen oder sogar zu bekommen vollständig von Wellen befreien, wie Duane im Zusammenhang mit der Röntgenbeugung vorgeschlagen hat.