Niet E=mc² maar het foto-elektrisch effect bezorgde Einstein zijn enige Nobelprijs

In de blokmaand juni presenteert Knack authentieke examenvragen van Vlaamse professoren en de antwoorden voor een 10, 14 en 20 op 20. Deze week: Leg aan een willekeurig iemand op de bus het ontstaan, de betekenis en de relevantie uit van het foto-elektrisch effect waarvoor Albert Einstein de Nobelprijs kreeg.

10/20

Vincent Ginis: ‘De madam-op-de-bus-vraag is een van mijn moeilijkere, omdat je in het antwoord niet kunt schuilen achter ingewikkelde formules en berekeningen. Fysici zijn vertalers van de natuur, dus voor een voldoende moet je het foto-elektrisch effect ook kunnen vertalen voor een leek. Zonder vakjargon. Maar ook zonder conceptuele fouten.

In de jaren 1700 definieert Isaac Newton licht als een deeltje, maar na een experiment van Thomas Young een eeuw later, wordt algemeen aangenomen dat licht geen deeltje maar een golf is. Weer honderd jaar later komen wetenschappers aandraven met het foto-elektrisch effect, in een experiment dat moeilijk, haast onmogelijk te verklaren is door te zeggen dat licht golven zijn.

Voor een tien moet je die context schetsen en het experiment uitleggen. Het experiment is simpel. Je schijnt met een lamp op een metalen plaat en stelt vast dat daaruit soms wel en soms niet elektronen wegschieten. Het probleem? Met blauw licht werkt het. Maar niet met rood. Zelfs met tien rode lampen krijg je die elektronen niet vrij, terwijl het effect met een gedimd blauw licht wél optreedt. Dat kun je onmogelijk verklaren vanuit licht als een golf, want volgens de theorie daarachter kun je rood licht even energetisch krijgen als blauw, door het bijvoorbeeld harder te laten schijnen. Dat het effect zelfs dan niet optreedt, is een dwingende reden om af te stappen van het heersende idee.

Dat doet Einstein in 1905. Newton afstoffend, zegt hij opnieuw dat licht een deeltje is en geen golf. Die oplossing kun je schetsen met een tekening van een biljarttafel, waarbij de tafel staat voor de metalen plaat, en de biljartballen voor de elektronen aan de buitenkant ervan. Rood licht kun je vergelijken met pingpongballen, zegt Einstein. “Al schiet je er duizend af, geen biljartbal die beweegt.” Blauw licht zijn daarentegen basketballen. Dat schiet wel elektronen vrij.’

14/20

Ginis: ‘Voor een hoger cijfer wil ik meer complexiteit, even simpel uitgelegd. In ons lichtspectrum, de regenboog, lopen kleuren geleidelijk over van rood naar oranje, geel, groen en dan blauw. Wanneer je in het experiment de lichtkleur evenwel geleidelijk wijzigt, komen er niet stilaan elektronen vrij. Het foto-elektrisch effect is discontinu. Er gebeurt volstrekt niets. Tot aan een omslagpunt, een bepaalde tint blauw waarbij het effect plots wel optreedt. De golftheorie is continu – tinten en hun eigenschappen veranderen heel geleidelijk, zegt die. Hoe verklaar je dat omslagpunt dan? Einstein kan dat. De cut-off is de tint waarbij de basketbal net groot genoeg is om de biljartbal vrij te krijgen.

Een fout waartoe die metafoor verleidt, is zeggen dat een nog grotere basketbal meerdere elektronen tegelijk doet vrijkomen. Dat klopt niet. Hoe dieper het blauw – hoe groter de basketbal – met des te meer snelheid schiet het elektron weg uit het metaal. De energie die nog rest nadat het elektron is vrijgemaakt, wordt meegegeven als snelheid. Maar één foton schiet altijd maar één elektron vrij.

Dat effect treedt bovendien op zonder vertraging. Boenk en ’t is gebeurd! Bij licht als een golf zit de energie verdeeld zoals bij een trein. Niet samengebald vooraan, maar verspreid over de locomotief en alle wagons. Volgens die golflogica zou het effect tot drie seconden op zich kunnen laten wachten. Maar dat spoort niet met de waarnemingen uit het experiment.

Voor een onderscheiding wil ik ook weten dat de blauwtint waarbij het effect zich voordoet, afhangt van het metaal. Bij goud moet je dieper blauw gebruiken dan bij zilver, bijvoorbeeld.

Cruciaal is bovendien dat je de relevantie aangeeft. Einsteins foto-elektrisch effect is de geboorte van de kwantummechanica. Als licht weer deeltjes zijn, gedragen elektronen zich dan misschien ook als golven? We zijn alles gaan herbekijken.’

20/20

Ginis: ‘Wie een hoog cijfer wil, moet perspectief toevoegen, want de kwantummechanica is een soort paraplu voor paradigmawijzigingen. Een van de belangrijkste daarvan is dat we de natuur niet meer kunnen opsplitsen in een dichotomie van golven en deeltjes. In de klassieke mechanica – denk Newton, Galilei, Lagrange – was alles een van die twee, met elk hun eigenschappen. Onze huidige opvatting kent echter een nieuw woord. Licht is een golfdeeltje. Soms, onderweg van de zon naar de aarde bijvoorbeeld, gedraagt licht zich als een golf. Maar als het interageert met iets anders – aankomt op metaal, pakweg – wordt het plots een deeltje.

Het foto-elektrisch effect zie je in een lab, maar ook in het dagelijks leven. Ken je zo’n rekenmachine op zonne-energie? Die steunt erop. Dek de lichtsensor af, en de rekenmachine is dood. Laat hem vrij, en je hebt weer energie. Onmiddellijk, net zoals bij het basisexperiment. Een andere toepassing zijn liftdeuren in een flatgebouw. Wanneer je de lichtstraal in het deurgat onderbreekt, biept de lift en gaan de deuren meteen weer open. Was licht een golf, dan duurde het seconden vooraleer alle energie op de detector was aangekomen. En zouden er veel accidenten gebeuren.

Zoals Einstein zelf zei: “Je begrijpt pas echt iets, als je het ook aan je grootmoeder krijgt uitgelegd.”‘

De anekdote:

Ginis: ‘Met zijn algemene relativiteitstheorie en het eerste experimentele bewijs daarvan in 1919, wordt Einstein een wereldster. Datzelfde jaar en nog meer in 1920, stromen er bakken brieven binnen die hem voor de Nobelprijs nomineren. Maar van een pacifistische Jood zijn de Weimarrepubliek en het Nobelcomité niet wild. Er is na-ijver, en Einsteins theorieën zijn een aanslag op de heersende wetenschap. Het Nobelcomité beseft evenwel dat de storm niet gaat liggen, en in 1922 krijgt Einstein alsnog de prijs. Voor het foto-elektrisch effect. Uit 1905. Als de Bob Dylan van zijn tijd, pikt Einstein hem met tegenzin op. Hij haalt zijn gram. Met een acceptance speech niet over het foto-elektrisch effect, maar over zijn gekoesterde algemene relativiteitstheorie, die in 1919 op de voorpagina van The New York Times had gestaan.’