Fotoelektrični učinek se nanaša na to, kaj se zgodi, ko se iz materiala, ki absorbira elektromagnetno sevanje, oddajajo elektroni. Fizik Albert Einstein je prvi opisal učinek v celoti in za svoje delo prejel Nobelovo nagrado.
Kakšen je fotoelektrični učinek?
Svetloba z energijo nad določeno točko se lahko uporabi za iztrebljanje elektronov in jih osvobodi s trdne kovinske površine, poroča Science American. Vsak delček svetlobe, ki ga imenujemo foton, trči v elektron in porabi nekaj svoje energije, da se elektron izpodrine. Preostali del fotonove energije se prenese v prosti negativni naboj, imenovan fotoelektron.
Razumevanje, kako to deluje, je spremenilo sodobno fiziko. Uporaba fotoelektričnega učinka nam je prinesla "električno oko" odpiranje vrat, merilnike svetlobe, ki se uporabljajo v fotografiji, sončne panele in fotostatično kopiranje.
Odkritje
Pred Einsteinom so učinek opazili znanstveniki, vendar jih je vedenje zmedlo, ker niso popolnoma razumeli narave svetlobe. V poznih 1800-ih so fiziki James Clerk Maxwell na Škotskem in Hendrik Lorentz na Nizozemskem ugotovili, da se zdi, da se svetloba obnaša kot val. To smo dokazali tako, da smo videli, kako svetlobni valovi prikazujejo interferenco, difrakcijo in razprševanje, ki so skupni vsem vrstam valov (vključno z valovi v vodi.)
Einsteinov argument iz leta 1905, da se svetloba lahko obnaša tudi kot nabor delcev, je bil revolucionaren, ker ni ustrezal klasični teoriji elektromagnetnega sevanja. Drugi znanstveniki so pred njim postavili teorijo, toda Einstein je bil prvi, ki je natančneje razložil, zakaj se je pojavil - in posledice.
Na primer, Heinrich Hertz iz Nemčije je prvi videl fotoelektrični učinek leta 1887. Odkril je, da če je osvetlil ultravijolično svetlobo na kovinske elektrode, je znižal napetost, potrebno za premikanje iskre za elektrodami, poroča angleški astronom David Darling.
Nato je leta 1899 v Angliji J.J. Thompson je pokazal, da ultravijolična svetloba, ki udari v kovinsko površino, povzroči izmet elektronov. Količinsko merilo fotoelektričnega učinka je prišlo leta 1902, z delom Philipa Lenarda (nekdanjega Hertzovega pomočnika) je bilo jasno, da ima svetloba električne lastnosti, toda kaj se je dogajalo, ni bilo jasno.
Po Einsteinu je svetloba sestavljena iz majhnih zavojčkov, ki so jih najprej imenovali kvanta in kasneje fotoni. Kako se kvante obnašajo pod fotoelektričnim učinkom, lahko razberemo z miselnim eksperimentom. Predstavljajte si, da v vodnjaku kroži marmor, ki bi bil podoben vezanemu elektronu na atom. Ko pride foton, udari v marmor (ali elektron), ki mu daje dovolj energije, da pobegne iz vodnjaka. To pojasnjuje obnašanje svetlobnih kovinskih površin.
Medtem ko je Einstein, tedaj mladi patentni uradnik v Švici, pojasnilo pojav leta 1905, je minilo še 16 let, da je za njegovo delo prejel Nobelovo nagrado. To je prišlo po tem, ko je ameriški fizik Robert Millikan ne le preveril delo, temveč je našel tudi razmerje med eno od Einsteinovih konstant in Planckovo konstanto. Slednja stalnica opisuje, kako se v atomskem svetu obnašajo delci in valovi.
Nadaljnje teoretične študije o fotoelektričnem učinku je leta 1922 opravil Arthur Compton (ki je pokazal, da je mogoče rentgenske žarke obravnavati tudi kot fotone in si leta 1927 prislužil Nobelovo nagrado), pa tudi Ralph Howard Fowler leta 1931 (ki je pogledal razmerje med temperaturo kovine in fotoelektričnimi tokovi.)
Prijave
Medtem ko opis fotoelektričnega učinka zveni zelo teoretično, obstaja veliko praktičnih aplikacij njegovega dela. Britannica opisuje nekaj:
Fotoelektrične celice so bile prvotno uporabljene za zaznavanje svetlobe s pomočjo vakuumske cevi, ki vsebuje katodo, za oddajanje elektronov in anode za zbiranje nastalega toka. Danes so te "fototube" napredovale do polprevodniških fotodiod, ki se uporabljajo v aplikacijah, kot so sončne celice in telekomunikacije z optičnimi vlakni.
Cevi za fotomultiplikator so različica fotocevke, vendar imajo več kovinskih plošč, imenovanih dinode. Elektroni se sprostijo, ko svetloba udari po katodah. Elektroni nato padejo na prvo dinodno enoto, ki sprosti več elektronov, ki padejo na drugo dinodno, nato na tretjo, četrto in tako naprej. Vsaka dinoda ojača tok; po približno 10 dinodah je tok dovolj močan, da fotomultiplikatorji zaznajo celo posamezne fotone. Primeri tega so uporabljeni pri spektroskopiji (ki razdeli svetlobo na različne valovne dolžine, da bi se podrobneje seznanili s kemičnimi sestavami zvezde, na primer) in računalniško aksialno tomografijo (CAT), ki pregleda telo.
Druge uporabe fotodiodov in fotomultiplikatorjev vključujejo:
- slikovna tehnologija, vključno z (starejšimi) cevmi za televizijske kamere ali ojačevalce slike;
- preučevanje jedrskih procesov;
- kemijska analiza materialov na osnovi njihovih oddanih elektronov;
- podaja teoretične podatke o tem, kako elektroni v atomih prehajajo med različna energetska stanja.
Toda najpomembnejša uporaba fotoelektričnega učinka je bila poravnava kvantne revolucije
Znanstveni ameriški. Fiziki so privedli do razmišljanja o naravi svetlobe in zgradbi atomov na povsem nov način.
