Fotoelektrický efekt sa týka toho, čo sa stane, keď sú elektróny emitované z materiálu, ktorý absorboval elektromagnetické žiarenie. Fyzik Albert Einstein bol prvým, kto celý účinok opísal, a za svoju prácu získal Nobelovu cenu.
Čo je to fotoelektrický efekt?
Svetlo s energiou nad určitým bodom môže byť podľa vedca Američana použité na zrážanie elektrónov, ktoré ich uvoľňuje z pevného kovového povrchu. Každá častica svetla, nazývaná fotón, sa zráža s elektrónom a využíva určitú časť svojej energie na uvoľnenie elektrónu. Zvyšok fotónovej energie sa prenáša na záporný záporný náboj nazývaný fotoelektrón.
Pochopenie toho, ako to funguje, spôsobilo prevrat v modernej fyzike. Aplikácia fotoelektrického efektu nám priniesla „elektrické oči“ otvárače dverí, svetelné metre používané vo fotografii, solárne panely a fotostatické kopírovanie.
Objav
Pred Einsteinom vedci pozorovali tento účinok, boli však zmätení správaním, pretože úplne nerozumeli povahe svetla. Na konci 18. storočia fyzici James Clerk Maxwell v Škótsku a Hendrik Lorentz v Holandsku určili, že sa svetlo chová ako vlna. Dokázalo sa to tým, že vidíme, ako svetelné vlny preukazujú interferenciu, difrakciu a rozptyl, ktoré sú spoločné pre všetky druhy vĺn (vrátane vĺn vo vode).
Einsteinov argument v roku 1905, podľa ktorého sa svetlo môže správať aj ako súbor častíc, bol teda revolučný, pretože sa nezhodoval s klasickou teóriou elektromagnetického žiarenia. Iní vedci predpokladali teóriu pred sebou, ale Einstein bol prvý, kto úplne rozpracoval, prečo k tomuto javu došlo - a jeho dôsledky.
Napríklad Heinrich Hertz z Nemecka bol prvou osobou, ktorá videla fotoelektrický efekt, v roku 1887. Zistil, že ak žiaril ultrafialovým svetlom na kovové elektródy, znížil napätie potrebné na to, aby sa iskra pohybovala za elektródami. David Darling.
Potom v roku 1899 v Anglicku, J.J. Thompson preukázal, že ultrafialové svetlo dopadajúce na kovový povrch spôsobilo vyvrhnutie elektrónov. Kvantitatívne meranie fotoelektrického efektu nastalo v roku 1902, s prácou Filipa Lenarda (bývalého asistenta Hertza). Bolo jasné, že svetlo má elektrické vlastnosti, ale to, čo sa deje, bolo nejasné.
Podľa Einsteina je svetlo tvorené malými paketmi, najprv nazývanými kvanta a neskôr fotóny. Ako sa quanta správa pod fotoelektrickým efektom, sa dá pochopiť pomocou myšlienkového experimentu. Predstavte si mramor krúžiaci v studni, ktorý by bol ako viazaný elektrón k atómu. Keď príde fotón, zasiahne mramor (alebo elektrón), čo mu poskytne dostatok energie na to, aby unikol zo studne. Toto vysvetľuje správanie kovových povrchov, ktoré zasiahnu svetlo.
Zatiaľ čo Einstein, mladý patentový úradník vo Švajčiarsku, vysvetlil tento jav v roku 1905, udelenie Nobelovej ceny za jeho prácu trvalo ďalších 16 rokov. Toto prišlo po tom, ako americký fyzik Robert Millikan nielen overil prácu, ale tiež našiel vzťah medzi jednou z Einsteinových konštánt a Planckovou konštantou. Druhá konštanta popisuje, ako sa častice a vlny správajú v atómovom svete.
Ďalšie počiatočné teoretické štúdie o fotoelektrickom účinku vykonal Arthur Compton v roku 1922 (ktorý ukázal, že röntgenové lúče sa môžu považovať aj za fotóny a v roku 1927 získal Nobelovu cenu), ako aj Ralph Howard Fowler v roku 1931 (ktorý sa pozrel na vzťah medzi kovovými teplotami a fotoelektrickými prúdmi.)
Aplikácia
Aj keď opis fotoelektrického efektu znie veľmi teoreticky, jeho práca existuje veľa praktických aplikácií. Britannica popisuje niekoľko:
Fotoelektrické bunky sa pôvodne používali na detekciu svetla pomocou vákuovej trubice obsahujúcej katódu, na vyžarovanie elektrónov a anódy na zhromažďovanie výsledného prúdu. Dnes tieto „fototrubičky“ pokročili na polovodičové fotodiódy, ktoré sa používajú v aplikáciách, ako sú solárne články a telekomunikácie s optickými vláknami.
Fotonásobičové trubice sú variáciou fotonky, ale majú niekoľko kovových platní nazývaných dynódy. Elektróny sa uvoľňujú potom, čo svetlo zasiahne katódy. Elektróny potom padajú na prvú dynódu, ktorá uvoľňuje viac elektrónov, ktoré dopadajú na druhú dynódu, potom na tretiu, štvrtú a tak ďalej. Každý dynód zosilňuje prúd; po asi 10 dynódach je prúd dostatočne silný na to, aby fotonásobiče detegovali aj jednotlivé fotóny. Príklady sa používajú v spektroskopii (ktorá rozdeľuje svetlo na rôzne vlnové dĺžky, aby sa dozvedela viac o chemickom zložení hviezd), a počítačovej skenovaní axiálnou tomografiou (CAT), ktoré skúmajú telo.
Medzi ďalšie aplikácie fotodiód a fotonásobičov patria:
- zobrazovacia technológia vrátane (starších) elektrónok televíznych kamier alebo zosilňovačov obrazu;
- štúdium jadrových procesov;
- chemická analýza materiálov na základe ich emitovaných elektrónov;
- poskytuje teoretické informácie o tom, ako elektróny v atómoch prechádzajú medzi rôznymi energetickými stavmi.
Ale asi najdôležitejšou aplikáciou fotoelektrického efektu bolo podľa
Scientific American. To viedlo fyzikov k premýšľaniu o povahe svetla a štruktúre atómov úplne novým spôsobom.
