אפקט פוטואלקטרי: הסבר ויישומים

ההשפעה הפוטואלקטרית מתייחסת למתרחש כאשר נפלטים אלקטרונים מחומר שספג קרינה אלקטרומגנטית. הפיזיקאי אלברט איינשטיין היה הראשון שתיאר את האפקט באופן מלא, וקיבל פרס נובל על עבודתו.

מה ההשפעה הפוטואלקטרית?

ניתן להשתמש באור עם אנרגיה מעל נקודה מסוימת בכדי לשחרר אלקטרונים, לשחרר אותם ממשטח מתכת מוצק, כך לפי נתוני סיינטיפיק אמריקן. כל חלקיק אור, הנקרא פוטון, מתנגש באלקטרון ומשתמש בכמה מהאנרגיה שלו בכדי לפרוק את האלקטרון. שאר האנרגיה של הפוטון עוברת למטען השלילי בחינם, המכונה פוטואלקטרון.

ההבנה כיצד זה עובד חוללה מהפכה בפיזיקה המודרנית. יישומים של האפקט הפוטואלקטרי הביאו לנו פתיחת דלתות "עיניים חשמליות", מד אור המשמש לצילום, פאנלים סולאריים והעתקה פוטוסטטית.

גילוי

לפני איינשטיין נצפו המדענים את ההשפעה, אך הם התבלבלו בגלל ההתנהגות מכיוון שהם לא הבינו לחלוטין את טיב האור. בשלהי 1800, פיסיקאים ג'יימס קלרק מקסוול בסקוטלנד והנדריק לורנץ בהולנד קבעו כי נראה כי האור מתנהג כגל. זה הוכח על ידי ראייה כיצד גלי האור מדגימים הפרעות, דיפרקציה ופיזור, המשותפים לכל מיני גלים (כולל גלים במים.)

אז טענתו של איינשטיין בשנת 1905 כי האור יכול להתנהג גם כסט של חלקיקים היה מהפכני מכיוון שהוא לא התאים לתאוריה הקלאסית של קרינה אלקטרומגנטית. מדענים אחרים הניחו את התיאוריה לפניו, אך איינשטיין היה הראשון שהרחיב במלואו מדוע התופעה התרחשה - וההשלכות.

לדוגמה, היינריך הרץ מגרמניה היה האדם הראשון שראה את האפקט הפוטואלקטרי, בשנת 1887. הוא גילה שאם יאיר אור אולטרה סגול על אלקטרודות מתכת, הוא הוריד את המתח הדרוש בכדי לגרום לניצוץ לזוז מאחורי האלקטרודות, על פי האסטרונום האנגלי דייוויד דרלינג.

ואז בשנת 1899, באנגליה, ג'יי ג'יי. תומפסון הדגים כי אור אולטרה סגול שפגע במשטח מתכת גרם לפליטת אלקטרונים. מדד כמותי של האפקט הפוטואלקטרי הגיע בשנת 1902, עם עבודתו של פיליפ לנארד (עוזר לשעבר של הרץ.) היה ברור שלאור יש תכונות חשמליות, אך מה שקורה לא היה ברור.

לדברי איינשטיין, האור מורכב מחבילות קטנות, שנקראות בהתחלה קוונטה ובהמשך פוטונים. כיצד ניתן להתנהג קוונטה תחת האפקט הפוטואלקטרי ניתן להבין באמצעות ניסוי מחשבה. דמיין שיש שיש מסתובב בבאר, שיהיה כמו אלקטרון כבול לאטום. כשפוטון נכנס הוא פוגע בשיש (או באלקטרון), ומעניק לו מספיק אנרגיה כדי לברוח מהבאר. זה מסביר את התנהגותם של משטחי מתכת מכים קלים.

בעוד איינשטיין, אז פקיד פטנטים צעיר בשוויץ, הסביר את התופעה בשנת 1905, לקח עוד 16 שנים לפרס נובל על עבודתו. זה הגיע לאחר שהפיזיקאי האמריקני רוברט מיליקן לא רק אימת את היצירה, אלא גם מצא קשר בין אחד הקבועים של איינשטיין לקבועה של פלאנק. הקבוע האחרון מתאר כיצד חלקיקים וגלים מתנהגים בעולם האטומי.

מחקרים תיאורטיים מוקדמים נוספים בנושא האפקט הפוטואלקטרי בוצעו על ידי ארתור קומפטון בשנת 1922 (שהראה שאפשר לטפל בקרני רנטגן כאל פוטונים וזכה בפרס נובל בשנת 1927), כמו גם ראלף הווארד פאולר בשנת 1931 (שהסתכל על הקשר בין טמפרטורות מתכת לזרמים פוטואלקטריים.)

יישומים

בעוד שתיאור האפקט הפוטואלקטרי נשמע תיאורטי ביותר, ישנם יישומים מעשיים רבים לעבודותיו. בריטניקה מתארת ​​כמה:

תאים פוטואלקטריים שימשו במקור לגילוי אור, באמצעות צינור ואקום המכיל קתודה, לפליטת אלקטרונים ואנודה, כדי לאסוף את הזרם שנוצר. כיום "צינורות פוטו" אלה התקדמו לפוטודיודות מבוססות מוליכים למחצה המשמשות ביישומים כמו תאים סולאריים וטלקומוניקציה של סיבים אופטיים.

צינורות פוטו-מכפיליים הם וריאציה של צינור הצילום, אך יש להם כמה לוחות מתכת הנקראים דינודות. אלקטרונים משוחררים לאחר שאור פוגע בקתודות. האלקטרונים נופלים אז על השושלת הראשונה, שמשחררת יותר אלקטרונים שנופלים על השושלת השנייה, ואז הלאה לשלישית, הרביעית וכן הלאה. כל שושלת מגבירה את הזרם; לאחר כעשר שושנות, הזרם חזק מספיק כדי שמכפילי הצילום יגלו אפילו פוטונים בודדים. דוגמאות לכך משמשות בספקטרוסקופיה (המפרקת אור לאורכי גל שונים בכדי ללמוד יותר על ההרכבים הכימיים של הכוכב, למשל), וסריקות טומוגרפיה ציריות ממוחשבות (CAT) הבוחנות את הגוף.

יישומים אחרים של פוטודיודות ומכפילי פוטו כוללים:

• טכנולוגיית הדמיה, כולל צינורות מצלמה טלוויזיוניים (ישנים) או מעצבי תמונה;
• לימוד תהליכים גרעיניים;
• ניתוח כימי של חומרים על בסיס האלקטרונים הנפלטים שלהם;
• מתן מידע תיאורטי על אופן המעבר של אלקטרונים באטומים בין מצבי אנרגיה שונים.

אבל אולי היישום החשוב ביותר של האפקט הפוטואלקטרי היה כנגד המהפכה הקוונטית

סיינטיפיק אמריקאי. זה גרם לפיזיקאים לחשוב על טבע האור ועל מבנה האטומים בצורה חדשה לחלוטין.