Efekt fotoelektryczny odnosi się do tego, co dzieje się, gdy elektrony są emitowane z materiału, który pochłonął promieniowanie elektromagnetyczne. Fizyk Albert Einstein jako pierwszy w pełni opisał efekt i otrzymał nagrodę Nobla za swoją pracę.
Co to jest efekt fotoelektryczny?
Według Scientific American światło o energii powyżej pewnego punktu może zostać wykorzystane do wybicia elektronów, uwalniając je z litej metalowej powierzchni. Każda cząstka światła, zwana fotonem, zderza się z elektronem i wykorzystuje część swojej energii do przemieszczenia elektronu. Reszta energii fotonu przechodzi do darmowego ładunku ujemnego, zwanego fotoelektronem.
Zrozumienie, jak to działa, zrewolucjonizowało współczesną fizykę. Zastosowanie efektu fotoelektrycznego przyniosło nam otwieracze drzwi z „elektrycznym okiem”, światłomierze stosowane w fotografii, panele słoneczne i kopiowanie fotostatyczne.
Odkrycie
Przed Einsteinem naukowcy zaobserwowali ten efekt, ale ich zachowanie było zdezorientowane, ponieważ nie w pełni rozumieli naturę światła. Pod koniec XIX wieku fizycy James Clerk Maxwell w Szkocji i Hendrik Lorentz w Holandii stwierdzili, że światło zachowuje się jak fala. Udowodniono to, widząc, jak fale świetlne wykazują interferencję, dyfrakcję i rozpraszanie, które są wspólne dla wszystkich rodzajów fal (w tym fal w wodzie).
Argument Einsteina z 1905 r., Że światło może zachowywać się tak samo jak zestawy cząstek, był rewolucyjny, ponieważ nie pasował do klasycznej teorii promieniowania elektromagnetycznego. Inni naukowcy postulowali przed nim teorię, ale Einstein był pierwszym, który w pełni opracował przyczyny tego zjawiska - i implikacje.
Na przykład Heinrich Hertz z Niemiec był pierwszą osobą, która zobaczyła efekt fotoelektryczny w 1887 roku. Odkrył, że jeśli podświetlił światło ultrafioletowe na metalowych elektrodach, obniżył napięcie potrzebne do poruszenia iskry za elektrodami, według angielskiego astronoma David Darling.
Następnie w 1899 r. W Anglii J.J. Thompson wykazał, że światło ultrafioletowe uderzające w metalową powierzchnię powoduje wyrzucenie elektronów. Ilościowa miara efektu fotoelektrycznego nastąpiła w 1902 r. Wraz z pracą Philippa Lenarda (byłego asystenta Hertza). Było jasne, że światło ma właściwości elektryczne, ale to, co się działo, było niejasne.
Według Einsteina światło składa się z małych pakietów, początkowo zwanych kwantami, a później fotonami. Jak kwanty zachowują się pod wpływem efektu fotoelektrycznego, można zrozumieć poprzez eksperyment myślowy. Wyobraź sobie marmur krążący w studni, który byłby jak związany elektron z atomem. Kiedy foton wchodzi, uderza w marmur (lub elektron), dając mu wystarczająco dużo energii, aby uciec ze studni. To wyjaśnia zachowanie lekkich metalowych powierzchni.
Podczas gdy Einstein, ówczesny młody rzecznik patentowy w Szwajcarii, wyjaśnił to zjawisko w 1905 r., Zajęło 16 lat, zanim przyznano Nagrodę Nobla za jego pracę. Stało się to po tym, jak amerykański fizyk Robert Millikan nie tylko zweryfikował pracę, ale także znalazł związek między jedną ze stałych Einsteina a stałą Plancka. Ta ostatnia stała opisuje zachowanie cząstek i fal w świecie atomowym.
Dalsze wczesne badania teoretyczne nad efektem fotoelektrycznym zostały przeprowadzone przez Arthura Comptona w 1922 r. (Który wykazał, że promienie X można również traktować jak fotony i zdobył Nagrodę Nobla w 1927 r.), A także Ralpha Howarda Fowlera w 1931 r. (Który spojrzał na związek między temperaturami metali a prądami fotoelektrycznymi).
Aplikacje
Chociaż opis efektu fotoelektrycznego brzmi wysoce teoretycznie, istnieje wiele praktycznych zastosowań jego pracy. Britannica opisuje kilka:
Ogniwa fotoelektryczne były pierwotnie używane do wykrywania światła za pomocą lampy próżniowej zawierającej katodę, do emitowania elektronów i anody, do zbierania powstałego prądu. Obecnie te „fotoprzewody” przeszły na fotodiody półprzewodnikowe, które są wykorzystywane w aplikacjach takich jak ogniwa słoneczne i telekomunikacja światłowodowa.
Fotopowielacze są odmianą fotoprobówki, ale mają kilka metalowych płytek zwanych dynodami. Elektrony są uwalniane po tym, jak światło pada na katody. Elektrony następnie spadają na pierwszą dynodę, która uwalnia więcej elektronów, które spadają na drugą dynodę, a następnie na trzecią, czwartą i tak dalej. Każdy dynode wzmacnia prąd; po około 10 dynodach prąd jest wystarczająco silny, aby fotopowielacze mogły wykryć nawet pojedyncze fotony. Przykłady tego wykorzystuje się w spektroskopii (która rozbija światło na różne długości fal, aby dowiedzieć się więcej na przykład o składzie chemicznym gwiazdy) oraz w komputerowych skanach tomografii osiowej (CAT), które badają ciało.
Inne zastosowania fotodiod i fotopowielaczy obejmują:
- technologia obrazowania, w tym (starsze) lampy kamer telewizyjnych lub wzmacniacze obrazu;
- badanie procesów jądrowych;
- chemiczna analiza materiałów na podstawie ich emitowanych elektronów;
- dostarczając teoretycznych informacji o tym, jak elektrony w atomach przechodzą między różnymi stanami energii.
Ale być może najważniejszym zastosowaniem efektu fotoelektrycznego było rozpoczęcie rewolucji kwantowej
Amerykański naukowiec. Doprowadziło fizyków do myślenia o naturze światła i strukturze atomów w zupełnie nowy sposób.
