אפקט פוטואלקטרי: הגדרה, משוואה וניסוי

כל מה שנלמד בפיזיקה הקלאסית הופך על ראשו כאשר פיזיקאים חקרו תחומים קטנים יותר ויותר וגילו השפעות קוונטיות. בין הראשונות מבין התגליות הללו היה האפקט הפוטואלקטרי. בתחילת המאה העשרים, תוצאות האפקט הזה לא הצליחו להתאים לתחזיות הקלאסיות והיו ניתנות להסבר רק בתורת הקוונטים, מה שפתח בפני פיסיקאים עולם חדש.

כיום, לאפקט הפוטואלקטרי יש גם יישומים מעשיים רבים. החל מהדמיה רפואית ועד לייצור אנרגיה נקייה, לגילוי ויישום של אפקט זה ישנן השלכות החורגות מעבר להבנת המדע.

כאשר אור, או קרינה אלקטרומגנטית, פוגע בחומר כגון משטח מתכת, החומר לפעמים פולט אלקטרונים, הנקראיםפוטואלקטרונים. זה בעצם בגלל שהאטומים בחומר סופגים את הקרינה כאנרגיה. אלקטרונים באטומים סופגים קרינה על ידי קפיצה לרמות אנרגיה גבוהות יותר. אם האנרגיה הנספגת גבוהה מספיק, האלקטרונים עוזבים את האטום הביתי שלהם לחלוטין.

לפעמים נקרא גם תהליך זההזרקת תמונותמכיוון שפוטונים אירועים (שם אחר לחלקיקי אור) הם הגורם הישיר לפליטת האלקטרונים. מכיוון שלאלקטרונים יש מטען שלילי, לוחית המתכת ממנה הם נפלטים נותרת מיוננת.

אולם מה שהכי מיוחד באפקט הפוטואלקטרי היה שהוא לא פעל לפי התחזיות הקלאסיות. הדרך בה נפלטו האלקטרונים, המספר שנפלט ואיך זה השתנה בעוצמת האור - כל אלה השאירו את המדענים מגרדים בראשם.

התחזיות המקוריות באשר לתוצאות האפקט הפוטואלקטרי שהופקו מפיזיקה קלאסית כללו את הדברים הבאים:

1. העברות אנרגיה מקרינת אירוע לאלקטרונים. ההנחה הייתה שכל אנרגיה שתתרחש על החומר תיספג ישירות על ידי האלקטרונים באטומים, ללא קשר לאורכי הגל. זה הגיוני בפרדיגמת המכניקה הקלאסית: כל מה שתשפכו לדלי ימלא את הדלי בכמות זו.
2. שינויים בעוצמת האור צריכים לייצר שינויים באנרגיה הקינטית של האלקטרונים. אם ההנחה היא כי אלקטרונים סופגים כל קרינה שתתרחש עליהם, אז יותר מאותה קרינה צריכה לתת להם יותר אנרגיה בהתאם. לאחר שהאלקטרונים עזבו את גבולות האטומים שלהם, אנרגיה זו נראית בצורה של אנרגיה קינטית.
3. אור בעוצמה נמוכה מאוד אמור להניב פרק ​​זמן בין ספיגת האור לפליטת האלקטרונים. הסיבה לכך היא שההנחה היא כי אלקטרונים חייבים לצבור מספיק אנרגיה כדי לעזוב את האטום הביתי שלהם, ואור בעוצמה נמוכה הוא כמו להוסיף אנרגיה ל"דלי "האנרגיה שלהם לאט יותר. לוקח יותר זמן להתמלא, ולכן זה צריך לקחת זמן רב יותר לפני האלקטרונים שיש להם מספיק אנרגיה לפליטה.

התוצאות בפועל כלל לא היו תואמות את התחזיות. זה כלל את הדברים הבאים:

1. אלקטרונים שוחררו רק כאשר אור האירוע הגיע או עבר תדר סף. שום פליטה לא התרחשה מתחת לתדר זה. לא היה משנה אם העוצמה הייתה גבוהה או נמוכה. משום מה, התדירות, או אורך הגל של האור עצמו, היו חשובים הרבה יותר.
2. שינויים בעוצמה לא הניבו שינויים באנרגיה הקינטית של האלקטרונים. הם שינו רק את מספר האלקטרונים הנפלטים. לאחר שהגיע לתדר הסף, הגדלת העוצמה לא הוסיפה יותר אנרגיה לכל אלקטרון שנפלט. במקום זאת, כולם הסתיימו באותה אנרגיה קינטית; היו רק עוד כאלה.
3. לא היה פרק זמן בעוצמות נמוכות. נראה כי לא נדרש זמן "למלא את דלי האנרגיה" של אלקטרון מסוים. אם היה פולט אלקטרון, הוא נפלט מיד. לעוצמה נמוכה יותר לא הייתה השפעה על האנרגיה הקינטית או על זמן השהיה; זה פשוט הביא לפליטת פחות אלקטרונים.

הדרך היחידה להסביר תופעה זו הייתה להפעיל מכניקת קוונטים. חשבו על קרן אור לא כגל, אלא כאוסף של חבילות גל בדידות הנקראות פוטונים. לפוטונים לכולם ערכי אנרגיה מובחנים המתאימים לתדר ולאורך האור, כפי שמוסבר על ידי דואליות חלקיקי הגל.

בנוסף, קחו בחשבון שהאלקטרונים מסוגלים לקפוץ רק בין מצבי אנרגיה בדידים. הם יכולים להיות בעלי ערכי אנרגיה ספציפיים בלבד, אך לעולם לא יהיו ערכים ביניהם. כעת ניתן להסביר את התופעות הנצפות באופן הבא:

1. אלקטרונים משתחררים רק כאשר הם סופגים ערכי אנרגיה מספיק ספציפיים מאוד. כל אלקטרון שיקבל את חבילת האנרגיה המתאימה (אנרגיית פוטון) ישוחרר. אף אחד אינו משוחרר אם תדירות האור הנפל נמוכה מדי ללא קשר לעוצמה מכיוון שאף אחת מחבילות האנרגיה אינן גדולות מספיק.
2. לאחר חריגה מתדר הסף, הגדלת העוצמה רק מגדילה את מספר האלקטרונים משוחרר ולא האנרגיה של האלקטרונים עצמם מכיוון שכל אלקטרון שנפלט קולט בדידה אחת פוטון. עוצמה גדולה יותר פירושה יותר פוטונים, ומכאן יותר פוטו-אלקטרונים.
3. אין עיכוב בזמן גם בעוצמה נמוכה כל עוד התדר מספיק גבוה מכיוון שברגע שאלקטרון מקבל את חבילת האנרגיה הנכונה, הוא משתחרר. עוצמה נמוכה מביאה רק למספר אלקטרונים.

מושג חשוב אחד הקשור לאפקט הפוטואלקטרי הוא פונקציית העבודה. המכונה גם אנרגיה מחייבת אלקטרונים, זו האנרגיה המינימלית הדרושה להוצאת אלקטרון ממוצק.

הנוסחה לפונקציית העבודה ניתנת על ידי:

איפה-ההאם המטען האלקטרוני,ϕהוא הפוטנציאל האלקטרוסטטי בוואקום הסמוך לפני השטח וההיא רמת פרמי של אלקטרונים בחומר.

פוטנציאל אלקטרוסטטי נמדד בוולט והוא מדד לאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית לכל מטען יחידה. מכאן המונח הראשון בביטוי,-eϕ, היא האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של אלקטרון בקרבת פני החומר.

ניתן לחשוב על רמת פרמי כאנרגיה של האלקטרון החיצוני ביותר כאשר האטום נמצא במצב קרקע.

תדירות הסף קשורה באופן הדוק לתפקוד העבודה. זהו התדר המינימלי בו פוטונים תוקפים יגרמו לפליטת אלקטרונים. תדר קשור ישירות לאנרגיה (תדר גבוה יותר מתאים לאנרגיה גבוהה יותר), ומכאן מדוע יש להגיע לתדר מינימלי.

מעל תדר הסף, האנרגיה הקינטית של האלקטרונים תלויה בתדר ולא בעוצמת האור. בעיקרון האנרגיה של פוטון יחיד תועבר כולה לאלקטרון יחיד. כמות מסוימת של אנרגיה זו משמשת להוצאת האלקטרון, והשאר הוא האנרגיה הקינטית שלו. שוב, עוצמה גדולה יותר פירושה שפשוט יותר אלקטרונים ייפלטו, ולא שלאלה שנפלטים תהיה יותר אנרגיה.

ניתן למצוא את האנרגיה הקינטית המרבית של אלקטרונים הנפלטים באמצעות המשוואה הבאה:

איפהק_{מקסימום}היא האנרגיה הקינטית המרבית של הפוטואלקטרון,חהוא הקבוע של פלאנק = 6.62607004 × 10^-34 M²ק"ג,fהוא תדירות האור וf₀הוא תדר הסף.

אתה יכול לחשוב על גילוי האפקט הפוטואלקטרי כמתרחש בשני שלבים. ראשית, גילוי פליטת הפוטואלקטרונים מחומרים מסוימים כתוצאה מאור מתרחש, ושנית, הקביעה שהשפעה זו אינה מצייתת לפיזיקה הקלאסית כלל, מה שהביא לתשתית חשובה רבות בהבנתנו את הקוונטים מֵכָנִיקָה.

היינריך הרץ צפה לראשונה באפקט הפוטואלקטרי בשנת 1887 בעת שביצע ניסויים עם מחולל פער ניצוצות. ההתקנה כללה שני זוגות כדורי מתכת. ניצוצות שנוצרו בין מערכת הכדורים הראשונה יגרמו לניצוצות לקפוץ בין הסט השני, ובכך לשמש כמתמר ומקלט. הרץ הצליח להגביר את רגישות ההתקנה על ידי אור בו. שנים לאחר מכן, ג'יי ג'יי. תומפסון גילה שהרגישות המוגברת נובעת מהאור שגורם לפליטת האלקטרונים.

בעוד שעוזרו של הרץ פיליפ לנארד קבע כי העוצמה אינה משפיעה על האנרגיה הקינטית של הפוטו-אלקטרונים, היה זה רוברט מיליקן שגילה את תדר הסף. מאוחר יותר, איינשטיין הצליח להסביר את התופעה המוזרה על ידי הנחת כימות האנרגיה.

אלברט איינשטיין הוענק בפרס נובל בשנת 1921 על גילוי חוק החוק הפוטואלקטרי אפקט, ומיליקן זכה בפרס נובל בשנת 1923 גם על עבודות הקשורות להבנת הפוטואלקטריה השפעה.

לאפקט הפוטואלקטרי שימושים רבים. אחת מהן היא שהיא מאפשרת למדענים לבחון את רמות האנרגיה של האלקטרונים בחומר על ידי קביעת תדירות הסף בה האור הפוגע גורם לפליטה. צינורות מכפיל מגדלים המשתמשים באפקט זה שימשו גם במצלמות טלוויזיה ישנות יותר.

יישום שימושי מאוד של האפקט הפוטואלקטרי הוא בבניית פאנלים סולאריים. פאנלים סולאריים הם מערכים של תאים פוטו-וולטאיים, שהם תאים המשתמשים באלקטרונים שנפלטים ממתכות על ידי קרינת השמש כדי לייצר זרם. נכון לשנת 2018 כמעט 3 אחוז מהאנרגיה בעולם מופקת על ידי פאנלים סולאריים, אך מספר זה הוא צפוי לגדול במידה ניכרת במהלך השנים הבאות, במיוחד בגלל היעילות של לוחות כאלה עולה.

אך החשוב מכל, גילוי והבנת האפקט הפוטואלקטרי הניחו את היסודות לתחום מכניקת הקוונטים ולהבנה טובה יותר של אופי האור.

ישנם ניסויים רבים שניתן לבצע במעבדת היכרות לפיזיקה כדי להדגים את האפקט הפוטואלקטרי. חלקם מסובכים יותר מאחרים.

ניסוי פשוט מדגים את האפקט הפוטואלקטרי באמצעות אלקטרוסקופ ומנורת UV-C המספקת אור אולטרה סגול. הנח מטען שלילי על האלקטרוסקופ כך שהמחט תוסט. לאחר מכן, הברק את מנורת ה- UV-C. אור מהמנורה ישחרר אלקטרונים מהאלקטרוסקופ ויפטר אותו. אתה יכול לדעת שזה קורה על ידי ראיית סטיה של המחט מצטמצמת. שים לב, עם זאת, אם ניסית את אותו ניסוי עם אלקטרוסקופ טעון חיובי, זה לא יעבוד.

ישנן דרכים רבות אחרות אפשריות להתנסות באפקט הפוטואלקטרי. כמה מערכים כוללים תאים פוטואליים המורכבים מאנודה גדולה שכאשר תיפגע באור תוקף תשחרר אלקטרונים שנקטפו על ידי קתודה. אם הגדרה זו מחוברת למתח מתח, למשל, האפקט הפוטואלקטרי יתגלה כאשר מאיר האור יוצר מתח.

הגדרות מורכבות יותר מאפשרות מדידה מדויקת יותר ואף מאפשרות לך לקבוע את תפקוד העבודה ותדרי הסף עבור חומרים שונים. עיין בסעיף משאבים לקישורים.