Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο αναφέρεται σε αυτό που συμβαίνει όταν εκπέμπονται ηλεκτρόνια από ένα υλικό που έχει απορροφήσει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ο φυσικός Αλβέρτος Αϊνστάιν ήταν ο πρώτος που περιγράφει πλήρως το αποτέλεσμα και έλαβε ένα βραβείο Νόμπελ για το έργο του.
Ποιο είναι το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα;
Φως με ενέργεια πάνω από ένα συγκεκριμένο σημείο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να χτυπήσει ηλεκτρόνια χαλαρά, απελευθερώνοντάς τα από μια στερεή μεταλλική επιφάνεια, σύμφωνα με την Scientific American. Κάθε σωματίδιο φωτός, που ονομάζεται φωτόνιο, συγκρούεται με ένα ηλεκτρόνιο και χρησιμοποιεί κάποια ενέργεια για να απομακρύνει το ηλεκτρόνιο. Το υπόλοιπο της ενέργειας του φωτονίου μεταφέρεται στο ελεύθερο αρνητικό φορτίο, που ονομάζεται φωτοηλεκτρονικό.
Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί αυτό επανάσταση στη σύγχρονη φυσική. Οι εφαρμογές του φωτοηλεκτρικού εφέ μας έφεραν ανοίγματα πόρτας "ηλεκτρικών ματιών", φωτιστικά που χρησιμοποιούνται στη φωτογραφία, ηλιακά πάνελ και φωτοστατική αντιγραφή.
Ανακάλυψη
Πριν από τον Αϊνστάιν, οι επιπτώσεις παρατηρήθηκαν από τους επιστήμονες, αλλά μπερδεύτηκαν από τη συμπεριφορά επειδή δεν κατανόησαν πλήρως τη φύση του φωτός. Στα τέλη του 18ου αιώνα, οι φυσικοί James Clerk Maxwell στη Σκωτία και ο Hendrik Lorentz στις Κάτω Χώρες διαπίστωσαν ότι το φως φαίνεται να συμπεριφέρεται ως κύμα. Αυτό αποδείχθηκε βλέποντας πώς τα φως κύματα επιδεικνύουν παρεμβολές, διάθλαση και σκέδαση, που είναι κοινά για όλα τα είδη των κυμάτων (συμπεριλαμβανομένων των κυμάτων στο νερό.)
Έτσι, το επιχείρημα του Αϊνστάιν το 1905 ότι το φως μπορεί επίσης να συμπεριφέρεται ως σύνολο σωματιδίων ήταν επαναστατικό επειδή δεν ταιριάζει με την κλασσική θεωρία της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Άλλοι επιστήμονες θεώρησαν την θεωρία μπροστά του, αλλά ο Αϊνστάιν ήταν ο πρώτος που επεξεργάστηκε πλήρως το γιατί συνέβη το φαινόμενο - και τις συνέπειες.
Για παράδειγμα, ο Heinrich Hertz της Γερμανίας ήταν ο πρώτος που είδε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο το 1887. Ανακάλυψε ότι αν έχυσε υπεριώδες φως πάνω σε μεταλλικά ηλεκτρόδια, μείωσε την τάση που απαιτείται για να κάνει μια κίνηση σπινθήρων πίσω από τα ηλεκτρόδια, σύμφωνα με τον αγγλικό αστρονόμο David Darling.
Τότε το 1899, στην Αγγλία, J.J. Ο Thompson απέδειξε ότι το υπεριώδες φως που έπληξε μια μεταλλική επιφάνεια προκάλεσε την εκτόξευση ηλεκτρονίων. Μια ποσοτική μέτρηση του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος ήρθε το 1902, με το έργο του Philipp Lenard (πρώην βοηθός του Hertz). Ήταν σαφές ότι το φως είχε ηλεκτρικές ιδιότητες, αλλά αυτό που συνέβαινε ήταν ασαφές.
Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, το φως αποτελείται από μικρά πακέτα, αρχικά αποκαλούμενα ποσοτικά και αργότερα φωτόνια. Η συμπεριφορά των κβανών κάτω από το φωτοηλεκτρικό αποτέλεσμα μπορεί να γίνει κατανοητό μέσω ενός πειράματος σκέψης. Φανταστείτε ένα μάρμαρο που περιστρέφεται σε πηγάδι, το οποίο θα ήταν σαν ένα δεσμευμένο ηλεκτρόνιο σε ένα άτομο. Όταν ένα φωτόνιο έρχεται, χτυπά το μάρμαρο (ή ηλεκτρόνιο), δίνοντάς του αρκετή ενέργεια για να ξεφύγει από το πηγάδι. Αυτό εξηγεί τη συμπεριφορά των ελαφρών χτυπήσεων μεταλλικών επιφανειών.
Ενώ ο Αϊνστάιν, τότε ένας νεαρός γραμματέας διπλωμάτων ευρεσιτεχνίας στην Ελβετία, εξήγησε το φαινόμενο το 1905, χρειάστηκαν άλλα 16 χρόνια για να απονεμηθεί το βραβείο Νόμπελ για το έργο του. Αυτό συνέβη αφού ο Αμερικανός φυσικός Robert Millikan όχι μόνο επαλήθευσε το έργο, αλλά βρήκε επίσης μια σχέση μεταξύ μιας σταθεράς του Αϊνστάιν και της σταθεράς του Planck. Η τελευταία σταθερά περιγράφει πώς τα σωματίδια και τα κύματα συμπεριφέρονται στον ατομικό κόσμο.
Πιο πρόσφατες θεωρητικές μελέτες για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο πραγματοποιήθηκαν από τον Arthur Compton το 1922 (που έδειξε ότι οι ακτίνες Χ θα μπορούσαν επίσης να αντιμετωπιστούν ως φωτόνια και κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ το 1927), καθώς και τον Ralph Howard Fowler το 1931 σχέση μεταξύ θερμοκρασιών μετάλλων και φωτοηλεκτρικών ρευμάτων.)
Εφαρμογές
Ενώ η περιγραφή του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος ακούγεται εξαιρετικά θεωρητική, υπάρχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές της δουλειάς του. Η Britannica περιγράφει μερικά:
Τα φωτοηλεκτρικά κύτταρα χρησιμοποιήθηκαν αρχικά για την ανίχνευση του φωτός, χρησιμοποιώντας ένα σωλήνα κενού που περιέχει μια κάθοδο, για να εκπέμπουν ηλεκτρόνια και μια άνοδο για να συγκεντρώσει το προκύπτον ρεύμα. Σήμερα, οι "φωτοσωλήνες" έχουν προχωρήσει σε φωτοδιόδους που βασίζονται σε ημιαγωγούς και χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπως οι ηλιακές κυψέλες και οι τηλεπικοινωνίες οπτικών ινών.
Οι σωλήνες φωτοπολλαπλασιαστή είναι μια παραλλαγή του φωτοβολταϊκού σωλήνα, αλλά έχουν αρκετές μεταλλικές πλάκες που ονομάζονται dynodes. Τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται μετά την ανάφλεξη των καθόδων. Τα ηλεκτρόνια στη συνέχεια πέφτουν στην πρώτη dynode, η οποία απελευθερώνει περισσότερα ηλεκτρόνια που πέφτουν στο δεύτερο dynode, στη συνέχεια στο τρίτο, τέταρτο, και ούτω καθεξής. Κάθε dynode ενισχύει το ρεύμα. μετά από περίπου 10 dynodes, το ρεύμα είναι αρκετά ισχυρό ώστε οι φωτοπολλαπλασιαστές να ανιχνεύσουν ακόμα και μεμονωμένα φωτόνια. Παραδείγματα αυτού χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπία (η οποία διαχωρίζει το φως σε διαφορετικά μήκη κύματος για να μάθει περισσότερα για τις χημικές συνθέσεις του αστέρα, για παράδειγμα), και ηλεκτρονικές αξονικές τομογραφίες (CAT) σαρώσεις που εξετάζουν το σώμα.
Άλλες εφαρμογές φωτοδιόδων και φωτοπολλαπλασιαστών περιλαμβάνουν:
- τεχνολογία απεικόνισης, συμπεριλαμβανομένων (παλαιότερων) σωλήνων τηλεοπτικής κάμερας ή ενισχυτών εικόνας.
- μελέτη πυρηνικών διεργασιών.
- χημική ανάλυση υλικών με βάση τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια τους.
- δίνοντας θεωρητικές πληροφορίες για το πώς τα ηλεκτρόνια στα άτομα μεταβαίνουν μεταξύ διαφορετικών ενεργειακών καταστάσεων.
Αλλά ίσως η πιο σημαντική εφαρμογή του φωτοηλεκτρικού αποτελέσματος ήταν η εκκίνηση της κβαντικής επανάστασης, σύμφωνα με το
Scientific American. Κάλεσε τους φυσικούς να σκεφτούν τη φύση του φωτός και τη δομή των ατόμων με έναν εντελώς νέο τρόπο.
