Fotoelektriline efekt viitab sellele, mis juhtub siis, kui elektromagnetkiirgust neelanud materjalist eralduvad elektronid. Füüsik Albert Einstein kirjeldas esimesena efekti täielikult ja sai oma töö eest Nobeli preemia.
Mis on fotoelektriline efekt?
Teatud punkti kohal oleva energiaga valgust saab kasutada elektronide lahti löömiseks, vabastades need tahkest metallist pinnast, vahendab Scientific American. Iga valguse osake, mida nimetatakse footoniks, põrkub elektroniga ja kasutab osa oma energiast elektroni eemaldamiseks. Ülejäänud footoni energia kandub tasuta negatiivsele laengule, mida nimetatakse fotoelektroniks.
Mõistmine, kuidas see töötab, pani tänapäevase füüsika pöörde. Fotoelektrilise efekti rakendused tõid meile "elektriliste silmadega" ukseavajad, fotograafias kasutatavad valgusmõõdikud, päikesepaneelid ja fotostaatliku kopeerimise.
Avastus
Enne Einsteini olid teadlased seda efekti täheldanud, kuid käitumine ajas nad segadusse, kuna nad ei mõistnud valguse olemust täielikult. 1800. aastate lõpus otsustasid füüsikud James Clerk Maxwell Šotimaal ja Hendrik Lorentz Hollandis, et valgus näib käituvat lainetena. Seda tõestati nähes, kuidas valguslained näitavad häireid, difraktsiooni ja hajumist, mis on ühised kõikvõimalikele lainetele (sealhulgas vees esinevatele lainetele).
Nii et Einsteini 1905. aasta argument, et valgus võib käituda ka osakeste kogumina, oli revolutsiooniline, kuna see ei sobinud klassikalise elektromagnetilise kiirguse teooriaga. Teised teadlased olid teooriat positsioneerinud enne teda, kuid Einstein oli esimene, kes täpsustas põhjalikult, miks nähtus aset leidis - ja selle tagajärgi.
Näiteks 1887. aastal nägi fotoelektrilist efekti esimene sakslane Heinrich Hertz. Ta avastas, et kui ta säras ultraviolettvalgust metallielektroodidele, alandas ta inglise astronoomi sõnul elektrienergia taha sädeme liigutamiseks vajalikku pinget. David Darling.
Siis 1899. aastal Inglismaal J.J. Thompson näitas, et metallpinda lööv ultraviolettvalgus põhjustas elektronide väljutamist. Fotoelektrilise efekti kvantitatiivne mõõt tuli 1902. aastal Philipp Lenardi (Hertzi endine abiline) töö põhjal. Oli selge, et valgusel on elektrilised omadused, kuid mis edasi saab, oli ebaselge.
Einsteini sõnul koosneb valgus väikestest pakettidest, mida alguses nimetatakse kvantideks ja hiljem footoniteks. Kuidas kvantid fotoelektrilise efekti all käituvad, saab aru mõttekatse kaudu. Kujutage ette süvendis ringlevat marmorit, mis oleks nagu aatomiga seotud elektron. Kui footon tuleb, tabab see marmorit (või elektronit), andes sellele piisavalt energiat kaevust pääsemiseks. See selgitab kergelt löövate metallpindade käitumist.
Kui Einstein, tollane noor patendiametnik Šveitsis, 1905. aastal nähtust selgitas, kulus Nobeli preemia määramiseks tema töö eest veel 16 aastat. See tuli pärast seda, kui Ameerika füüsik Robert Millikan mitte ainult ei kontrollinud tööd, vaid leidis ka seose ühe Einsteini konstandi ja Plancki konstandi vahel. Viimane konstant kirjeldab, kuidas osakesed ja lained aatomimaailmas käituvad.
Edasised varajased fotoelektrilise efekti teoreetilised uuringud viisid Arthur Compton läbi 1922. aastal (kes näitas, et röntgenkiirte võib käsitleda ka footonitena ja teenis 1927 Nobeli preemia), samuti Ralph Howard Fowler 1931. aastal (kes vaatas metalli temperatuuride ja fotoelektriliste voolude suhe.)
Rakendused
Kuigi fotoelektrilise efekti kirjeldus kõlab väga teoreetiliselt, on selle töös palju praktilisi rakendusi. Britannica kirjeldab mõnda järgmist:
Algselt kasutati fotoelemente valguse tuvastamiseks, kasutades katoodit sisaldava vaakumtoru abil elektronide eraldamiseks ja anoodi eraldamiseks tekkinud voolu. Tänapäeval on need "fototuubid" arenenud pooljuhtidel põhinevateks fotodioodideks, mida kasutatakse sellistes rakendustes nagu päikesepatareid ja fiiberoptilised telekommunikatsioonid.
Fotokordisti torud on fototoru variatsioon, kuid neil on mitu metallplaati, mida nimetatakse dünodeks. Elektronid vabanevad pärast seda, kui valgus katoodidele vastu lööb. Seejärel langevad elektronid esimesele düdoodile, mis vabastab rohkem elektrone, mis langevad teisele düdoodile, seejärel kolmandale, neljandale jne. Iga dynode võimendab voolu; umbes 10 düdoodi järel on vool piisavalt tugev, et fotokordistid suudaksid tuvastada isegi üksikuid footoneid. Selle näiteid kasutatakse spektroskoopias (mis jaotab valguse erinevateks lainepikkusteks, et saada rohkem teavet näiteks tähe keemiliste koostiste kohta), ja arvutit uuritava aksiaalse tomograafia (CAT) abil, mis uurib keha.
Muud fotodioodide ja fotokordistajate rakendused hõlmavad järgmist:
- pilditehnoloogia, sealhulgas (vanemad) telekaamerate torud või pildivõimendid;
- tuumaprotsesside uurimine;
- materjalide keemiline analüüs nende emiteeritud elektronide alusel;
- andes teoreetilist teavet selle kohta, kuidas aatomites olevad elektronid siirduvad erinevate energiaseisundite vahel.
Kuid fotoelektrilise efekti kõige olulisem rakendus oli vastavalt kvantrevolutsioon
Teaduslik ameeriklane. See pani füüsikud mõtlema valguse olemusele ja aatomite struktuurile täiesti uuel viisil.
