Фотоелектричният ефект се отнася до това, което се случва, когато се излъчват електрони от материал, който е погълнал електромагнитно излъчване. Физикът Алберт Айнщайн беше първият, който описа ефекта изцяло и получи Нобелова награда за работата си.
Какъв е фотоелектричният ефект?
Светлината с енергия над определена точка може да се използва за чукане на електрони, освобождавайки ги от твърда метална повърхност, според Scientific American. Всяка частица светлина, наречена фотон, се сблъсква с електрон и използва част от енергията си, за да освободи електрона. Останалата част от енергията на фотона се прехвърля към свободния отрицателен заряд, наречен фотоелектрон.
Разбирането как това работи революционизира съвременната физика. Приложенията на фотоелектричния ефект ни донесоха отвори за врати на електрически очи, светломери, използвани във фотографията, слънчеви панели и фотостатично копиране.
Откритие
Преди Айнщайн ефектът е бил наблюдаван от учените, но те са объркани от поведението, защото не са разбрали напълно естеството на светлината. В края на 1800 г. физиците Джеймс Клерк Максуел в Шотландия и Хендрик Лоренц в Холандия определят, че светлината изглежда се държи като вълна. Това беше доказано, като видях как светлинните вълни демонстрират смущения, дифракция и разсейване, които са общи за всички видове вълни (включително вълни във вода.)
Така аргументът на Айнщайн през 1905 г., че светлината също може да се държи като набори от частици, е революционен, тъй като не отговаря на класическата теория за електромагнитното излъчване. Други учени са постулирали теорията преди него, но Айнщайн е първият, който е разработил напълно защо феноменът е възникнал - и последствията от него.
Например, Хайнрих Херц от Германия е първият човек, който е видял фотоелектричния ефект през 1887 г. Той открива, че ако излъчи ултравиолетова светлина върху метални електроди, той понижи напрежението, необходимо да направи искрата да се движи зад електродите, според английския астроном Дейвид Дарлинг.
След това през 1899 г. в Англия, J.J. Томпсън демонстрира, че ултравиолетовата светлина, удряща метална повърхност, причинява изхвърлянето на електрони. Количествена мярка за фотоелектричния ефект дойде през 1902 г., с работа на Филип Ленард (бивш помощник на Херц.) Беше ясно, че светлината има електрически свойства, но това, което става, не беше ясно.
Според Айнщайн светлината се състои от малки пакети, първоначално наречени кванти, а по-късно фотони. Как се държат кванти под фотоелектричния ефект, може да се разбере чрез мислен експеримент. Представете си мрамор, който кръжи в кладенец, което би било като свързан електрон към атом. Когато влезе фотон, той удря мрамора (или електрон), като му дава достатъчно енергия да избяга от кладенеца. Това обяснява поведението на леки метални повърхности.
Докато Айнщайн, тогава млад патентен чиновник в Швейцария, обясняваше феномена през 1905 г., бяха нужни още 16 години, за да бъде връчена Нобеловата награда за работата му. Това стана, след като американският физик Робърт Миликан не само провери работата, но и откри връзка между една от константите на Айнщайн и константата на Планк. Последната константа описва как частиците и вълните се държат в атомния свят.
По-нататъшните ранни теоретични проучвания за фотоелектрическия ефект са извършени от Артур Комптън през 1922 г. (който показа, че рентгеновите лъчи също могат да бъдат третирани като фотони и спечелиха Нобеловата награда през 1927 г.), както и Ралф Хауърд Фоулър през 1931 г. (който погледна връзка между температурата на метала и фотоелектрическите токове.)
Приложения
Въпреки че описанието на фотоефекта звучи силно теоретично, има много практически приложения на неговата работа. Британика описва няколко:
Първоначално фотоелектрическите клетки са били използвани за откриване на светлина с помощта на вакуумна тръба, съдържаща катод, за излъчване на електрони и анод, за събиране на получения ток. Днес тези „фотопластини“ са преминали към полупроводникови фотодиоди, които се използват в приложения като слънчеви клетки и телекомуникации с оптични влакна.
Фотомултипликационните тръби са разновидност на фотострубата, но те имат няколко метални пластини, наречени диноди. Електроните се освобождават, след като светлината удари катодите. Тогава електроните падат върху първата динода, която освобождава повече електрони, които падат върху втората динода, след това към третата, четвъртата и т.н. Всеки динод усилва тока; след около 10 динода, токът е достатъчно силен, за да може фотоумножителите да открият дори единични фотони. Примери за това се използват при спектроскопия (която разделя светлината на различна дължина на вълната, за да научите повече за химичните състави на звездата например), както и компютърна аксиална томография (CAT), която изследва тялото.
Други приложения на фотодиоди и фотоумножители включват:
- технология за изображения, включително (по-стари) тръби за телевизионни камери или усилватели на изображения;
- изучаване на ядрени процеси;
- химически анализ на материали въз основа на техните излъчени електрони;
- давайки теоретична информация за това как електроните в атомите преминават между различни енергийни състояния.
Но може би най-важното приложение на фотоелектрическия ефект беше отклоняването на квантовата революция, според
Научен американец. Това накара физиците да мислят за природата на светлината и структурата на атомите по съвсем нов начин.
