Efekt fotoelektryczny - światło jako cząstka i fala

Wyjaśnienie przyczyn zjawiska fotoelektrycznego było niezwykle doniosłym momentem. Konsekwencje z niego wynikające okazały się jednak dla niektórych fizyków trudne do przyjęcia na gruncie obowiązujących wówczas teorii. Sam autor i pomysłodawca nowej koncepcji nie potrafił jej zaakceptować, traktując jako wersję roboczą, skuteczne, ale tymczasowe podejście do omawianego zjawiska. Czym zatem jest efekt fotoelektryczny, jak wyglądała historia jego odkrycia i z czym musieli zmierzyć się fizycy po opublikowaniu prac tłumaczących mechanizmy obserwowanego zjawiska?

Czym jest zjawisko fotoelektryczne

Krótko mówiąc, zjawisko fotoelektryczne polega na emisji elektronów z powierzchni materiałów pod wpływem światła o odpowiednio wysokiej częstotliwości. Częstotliwość graniczna zależy przy tym od materiału, na którym operuje fala elektromagnetyczna. Ważne jest to, że fala o zbyt niskiej częstotliwość nie uwolni żadnego elektronu, nawet jeśli rosnąć będzie natężenie oświetlenia. Kłopot w tym, że rozumiejąc światło w kategoriach falowych w żaden sposób nie można wytłumaczyć zaobserwowanego zachowania. Jak zatem poradzono sobie z problemem? Otóż “teorię światła cofnięto o całe stulecia”, jak efektownie komentował przyjęte rozwiązanie niezbyt z niego zadowolony Max Planck. Ale po kolei...

Odkrycie i pierwsze eksperymenty

W roku 1887 Heinrich Hertz pochłonięty był badaniem procesów związanych z emisją fal elektromagnetycznych. Zauważył, że za każdym razem gdy odbiornik rejestrował falę w cewce aparatury przeskakiwała iskra. Oświetlając iskrownik albo go przyciemniając wpływał na intensyfikację iskry lub jej osłabienie. Skonstatował, iż szkło zastosowanej przegrody musiało blokować promieniowanie ultrafioletowe, które najwyraźniej sprzyjało przeskokowi elektronów wzmacniając iskrę (przypuszczenie potwierdziło zastosowanie kwarcu, który nie pochłania ultrafioletu i nie zmniejszał intensywności zjawiska). Hertz opublikował wyniki swoich badań jednak żadne pomysły wyjaśniające zaobserwowane zjawisko nie przyszły mu do głowy.

Efektem zainteresowali się Wilhelm Hallwachs, który stwierdził, że oświetlona metalowa płytka uzyskuje ładunek dodatni, oraz Aleksandr Grigorjewicz Stoletow, który odkrył, iż natężenie emitowanego fotoprądu zależne jest od intensywności oświetlenia (prawo Stoletowa). Stoletow skonstatował również, że światło o niewielkiej częstotliwości nie wywołuje żadnego efektu. 

Tymczasem Philipp von Lenard badając tzw. promieniowanie katodowe na drodze kilku eksperymentów stwierdził ich korpuskularną naturę. Prace badawcze Josepha Johna Thomsona oraz Wilhelma Wiena doprowadziły do odkrycia elektronu i utożsamienia promienia katodowego z wiązką przemieszczających się ujemnie naładowanych cząstek.

Eksperymenty von Lenarda

Porzucając badania promieniowania katodowego Philipp von Lenard przystąpił do prac nad zjawiskiem fotoelektrycznym. W swych eksperymentach przeprowadzonych w latach 1898 - 1902 zastosował niezwykle silne światło łukowe, dzięki czemu mógł regulować natężenie wykorzystywanego doświadczalnie promieniowania. Innym parametrem poddawanym regulacji było napięcie pomiędzy elektrodą emitującą i odbierającą elektrony. Przykładając napięcie dodatnie stwierdził zanik prądu emisyjnego powyżej pewnej wartości napięcia, przy czym owa wartość zależała wyłącznie od częstotliwości fali świetlnej. Swym doświadczeniem Lenard wykazał występowanie zależność między emisją elektronów a częstotliwością padającego na układ oświetlenia. Energia kinetyczna fotoelektronów nie zależała jednak od natężenia światła. Wzrost natężenia zwiększał jedynie liczbę wybijanych elektronów, ale ich energia pozostawała na stałym poziomie. I tu dochodzimy do istoty trudności związanych z wytłumaczeniem zjawiska. Stwierdzając bowiem istnienie częstotliwości progowej fali świetlnej, poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie występuje, oraz że energia wypromieniowanych elektronów nie zależy od natężenia padającego oświetlenia, a jedynie związana jest z częstotliwością fali, Lenard zakwestionował obowiązującą wówczas falową teorią światła. 

Zgodnie bowiem z przewidywaniami teorii falowej energia fotoelektronów powinna być zależna od natężenia światła, przy czym dla każdej (nawet bardzo niskiej) częstotliwości światła przy odpowiednio silnym jego natężeniu, powinniśmy spodziewać się wybicia odpowiedniej liczby fotoelektronów. Doświadczenie Lenarda pokazało jednak, że tak nie jest. Wyniki eksperymentu, które nie dawały się wyjaśnić na gruncie teorii falowej wprawiły fizyków w zakłopotanie odbijając się w środowisku naukowym szerokim echem.

Heurystyczny punkt widzenia Einsteina

Nad wytłumaczeniem przyczyn zjawiska zaczął pracować Albert Einstein. Zauważył, że podczas wybijania elektronów, światło zachowuje się tak jakby jego energia skupiona była w porcjach, inaczej mówiąc kwantach, które później określone zostały mianem fotonów. Energia takiego fotonu jest proporcjonalna do częstotliwości fali, przez którą jest reprezentowany. Większe natężenie światła związane jest zaś z większą liczbę fotonów. Jeden foton oddziaływać może tylko z jednym elektronem - doprowadza do zerwania wiązań elektronowych i nadaje mu odpowiednią energię kinetyczną. Gdy energia fotonu będzie niższa od energii potrzebnej do pokonania wiązania elektronu, wówczas żaden elektron nie zostanie uwolniony.

Teoria zgrabnie tłumaczyła zjawisko. Należało tylko przyjąć, że światło może mieć zarówno falowy, jak i cząsteczkowy charakter. Charakter falowy poparty wieloma doświadczeniami był nie do zakwestionowania. Dopuszczenie myśli o korpuskularnym charakterze światła oraz dyskusji nad zasadnością tego rozwiązania przypomniało siedemnastowieczne spory zwolenników (newtonowskich) cząstek światła i (huygensowskich) fal, którzy ostatecznie zwyciężyli posiadając więcej argumentów na poparcie swoich tez. To zapewne z tego powodu Planck w sposób przytoczony wyżej komentował przyjęte rozwiązanie problemu. Sam Planck zresztą dokonując opisu równowagi ciała doskonale czarnego także wniósł swój wkład w rozumienie teorii promieniowania w kategoriach nieciągłej emisji energii. Pochłaniane i promieniowanie miało odbywać się jego zdaniem jedynie w kwantowych porcjach. Energia proporcjonalna jest tutaj do częstotliwości fali, a współczynnikiem proporcjonalności jest tzw. stała Plancka.

Einstein zmodyfikował pomysł Plancka. Promieniowanie mogło nie tylko być emitowane i pochłaniane w “porcjach”. Ono mogło także w ten sposób się rozchodzić! Dla Plancka było to chyba zbyt radykalne rozwiązanie w kontekście rozumienia istoty promieniowania. Dla Einsteina środek ciężkości problemu leżał w innym miejscu. Kłopotliwe były tu konsekwencje wynikające z istnienia fotonów i pozostałych zjawisk kwantowych - probabilistyka praw fizycznych. Problem ten pojawił się także w przypadku wyjaśniania przyczyn ruchów Browna - oparcie praw Natury na rachunku prawdopodobieństwa było po prostu nie do zaakceptowania. Świat Einsteina musiał być zbudowany na trwałych deterministycznych podstawach; określonych skutkach wynikających z przyczyny. Konsekwencje wypływające z publikacji przez Einsteina opisu przyczyn zjawiska wskazywały jednak na zupełnie inny rodzaj rzeczywistości. Rozumiejąc ten stan rzeczy, w swym artykule wyjaśniającym zasadę efektu fotoelektrycznego “O heurystycznym punkcie widzenia dotyczącym powstania i transformacji światła”, zdawał się sugerować już w tytule podejście co prawda użyteczne, jednak ciągle prowizoryczne, a sam problem zaś jako wymagający dalszych badań.

Dualizm korpuskularno - falowy został jednak powszechnie zaakceptowany. W jednych eksperymentach światło pojawiało się pod postacią fali, by w innych zachowywać się jak wystrzelony strumień cząstek. Co więcej, okazało się, iż podwójne oblicze posiadają także cząstki elementarne - elektrony potrafią zachowywać się jak fale, a ten aspekt ich natury ujawnia się w kontekście budowy atomu. 

Zjawiska kwantowe oparte na prawdopodobieństwie, a nie pewności, zaczęły zaprzątać uwagę fizyków. Einstein do końca swoich dni zmagał się z tak rozumianą naturą Natury. Pod koniec życia napisał: pięćdziesiąt lat rozmyślań nie zbliżyło mnie wcale do poznania odpowiedzi na pytanie czym są kwanty światła?