Lépjünk tovább!

 

A fénynyomás hullámelméleti magyarázatát már megadtam. 

Most lássuk a fényelektromos jelenség hullámelméleti magyarázatát!

 

Kicsit hosszú, de érdemes elolvasni.

 

A fényelektromos hatást tekintik a fény részecsketermészete melletti legfontosabb bizonyítéknak. Mindjárt látni fogjuk, hogy nem az, mert a szakaszos hullámelmélettel magyarázható meg igazán a jelenség.

A fényelektromos hatást Wilhelm Hallwachs (1859-1922) és Heinrich Hertz (1857-1894) német fizikusok fedezték fel 1888 körül. Megfigyelték, hogy ha egy fémlemez felületét ultraibolya fénnyel világítják meg, akkor a lemezből elektronok lépnek ki. A jelenséget részletesen Lénárd Fülöp (1862-1947) osztrák-magyar fizikus kezdte kutatni 1896 körül, aki korábban Hertz asszisztense volt. 1902-ben publikálta kísérletei eredményét, amelyek megmutatták, hogy:

- A kilépő elektronok száma a megvilágítás erősségétől függ (erősebb fény - több kilépő elektron).

- A kilépő elektronok sebessége (energiája) pedig a fény frekvenciájától függ (nagyobb frekvencia - nagyobb energia).

- Ha a megvilágító fény frekvenciáját folyamatosan csökkenti, akkor egy határfrekvencia alatt megszűnik az elektronkiváltás, bármilyen erős a fény.

-  A határfrekvencia felett azonnal megindul az elektronok kilépése, nagyon gyenge fénynél is.

 

Mint említettük, ekkoriban még nem volt ismert a Bohr-féle atommodell, amely csak később, 1913-ban látott napvilágot. Így Lénárd – ugyanúgy, mint Planck – még folyamatos hullámnak tekintette a fényt. Miért lényeges ez? Azért, mert a folyamatos fény erősségét a hullám amplitúdója határozza meg. Folyamatos fényt feltételezve az volt várható, hogy erősebb megvilágítás (nagyobb amplitúdójú hullám) nagyobb energiájú elektronokat fog kiváltani a fémlapból. De a kísérlet nem ezt mutatta. Lénárd azt tapasztalta, hogy ha növelte a megvilágítás erősségét, akkor a kilépő elektronok energiája nem növekedett meg, viszont több elektron lépett ki a fémlapból. Tehát a tapasztalat ellentmondott az elméletnek. Lénárd ezt a rejtvényt nem tudta megfejteni, de nem is tudhatta, mivel ekkor még a fényt folyamatos hullámnak tekintette mindenki.

 

A kísérletek idején éppen Lénárdnál gyakornokoskodott Mileva Marič, aki néhány évvel később Einstein első felesége lett. Így Einstein jól ismerte Lénárd kutatásait felesége révén. 1905-ben publikálta tanulmányát, amelyben a fényelektromos jelenség magyarázatát Planck fénykvantumjának „továbbfejlesztett” változatával adta meg. Einstein a fénykvantumot egy kompakt, pontban lokalizált részecskének tekintette, mert ekkor még ő sem tudhatta, hogy a fény valójában szakaszos hullám. Einstein elképzelése szerint,  amikor a fény a fémlapra esik, a fotonok nekiütköznek a fém elektronjainak és ütközéskor átadják energiájukat az elektronoknak. Egy foton az energiáját ütközéskor egyetlen elektronnak adja át teljes egészében. Amennyiben a foton által átadott energia nagyobb, mint a fémre jellemző kilépési munka, akkor az elektron kilép a fémlapból. A fennmaradó energia pedig a kilépő elektron mozgási energiáját növeli.

 

1905-ben – ahogyan Planck és Lénárd sem – még Einstein sem ismerhette Bohr 1913-as atommodelljét. Ha ismerte volna, akkor bizonyára egészen más eredményre jut. Mivel már tudjuk, hogy a fény hullámszakaszokban születik és így is terjed, a fényelektromos jelenséget meg tudjuk magyarázni a szakaszos hullámelmélet segítségével, és nincs szükségünk a fotonokra. Lássuk mi a helyes magyarázat!

 

A hullámszakaszokból álló fény erőssége nem a hullám amplitúdótól függ, hanem a fényforrásból időegység alatt kiáramló hullámszakaszok számától (több hullámszakasz - nagyobb fényerősség). Ez alapján már érthető, hogy a kilépő elektronok száma miért nő meg, ha növeljük a fényerősséget: a több hullámszakasz több elektront vált ki.

 

Az is világossá válik, hogy miért lesz a a kiváltott elektronnak nagyobb az energiája, ha nagyobb frekvenciájú (nagyobb energiájú) hullámszakasz váltja ki az elektront. A nagyobb energiájú fény magasabb pályára tudja emelni az elektront, amely így képes elhagyni az atomot. A többlet pedig a kilépett elektron energiáját növeli.

 

Az előbb elmondottakból az is következik, hogy a fényhullám nem ütközés révén adja át az energiáját az elektronnak. A fény hullámterében lévő elektronok energiát tudnak felvenni a hullámtérből, ha az elektron rezgési frekvenciája megegyezik a hullámtér frekvenciájával. Az energiaátadás rezonancia útján valósul meg.

 

Az is érthetővé válik, hogy a határfrekvencia alatt miért nem történik elektronkiváltás. Azért nem, mert a határfrekvencia alatt már nem jön létre rezonancia.

 

A fényelektromos hatás értelmezéséhez tehát egyáltalán nem szükséges, hogy a fénynek részecsketermészetet tulajdonítsunk. A fotonok (amelyekről amúgy sem tudja senki, hogy micsodák) feleslegesek a fényelektromos jelenség magyarázatához.

 

Ezen a véleményen van Varró Sándor is:

 

„Megjegyezzük, hogy a későbbi szemiklasszikus elméletben (melyben az elektront kvantummechanikával, a fényt pedig klasszikus Maxwell-térrel írjuk le) a fenti Einstein-féle formula egyszerűen az elektron energianövekedését kifejező kvantummechanikai rezonanciafeltétellel azonos. Tehát valójában nem szükséges a fénykvantumok fogalmát bevezetni, mégis a tömörség kedvéért azt mondjuk, hogy … “az elektron abszorbeált egy fotont”. „

 (Varró Sándor: A Foton 100 éve)

 

A legújabb kutatási eredmények szintén a hullámelméleti magyarázatot támasztják alá. Ugyanis sikerült a határfrekvenciánál alacsonyabb frekvenciájú fénnyel is elektront kiváltani. Ha a fényhullám az alapfrekvencia mellett felharmonikusokat is tartalmaz, abban az esetben létrejöhet a rezonancia a felharmonikus frekvenciáján. Ekkor a felharmonikus frekvenciának kell a határfrekvencia felett lennie, az alapfrekvencia lehet alatta is. Mégiscsak megtörténhet az elektronkiváltás úgy,  ahogyan azt ténylegesen tapasztaljuk.

 

Ez azonban homlokegyenest ellentétes a fotonelmélettel, mert a határfrekvencia alatti foton nem rendelkezik elegendő energiával az elektron kiváltásához, tehát nem válthatna ki elektront. A tapasztalat szerint azonban mégis megtörténik a kiváltás, amely a hullámelméletet igazolja.

 

Láthatjuk, hogy a fotonelmélet a fényelektromos jelenség esetében sem ad jó magyarázatot. A helyes magyarázatot a szakaszos hullámelmélet adja meg, tehát fotonokra semmi szüksége a fizikának.