Fotoelektrični učinak odnosi se na ono što se događa kad se iz materijala koji je apsorbirao elektromagnetsko zračenje emitiraju elektroni. Fizičar Albert Einstein bio je prvi koji je u potpunosti opisao učinak i za svoje djelo dobio Nobelovu nagradu.
Koji je fotoelektrični učinak?
Svjetlost koja ima energiju iznad određene točke može se upotrijebiti za uništavanje elektrona, oslobađajući ih od čvrste metalne površine, navodi Scientific American. Svaka čestica svjetlosti, koja se naziva foton, sudara se s elektronom i koristi dio svoje energije za dislogiranje elektrona. Ostatak energije fotona prenosi se na slobodni negativni naboj, nazvan fotoelektron.
Razumijevanje kako to djeluje revolucioniralo je modernu fiziku. Primjena fotoelektričnog efekta donijela nam je otvarače vrata "električnog oka", brojila svjetla koja se koriste u fotografiji, solarne ploče i fotostatičko kopiranje.
Otkriće
Prije Einsteina, utjecaj su primijetili znanstvenici, ali oni su bili zbunjeni ponašanjem jer nisu u potpunosti razumjeli prirodu svjetlosti. U kasnim 1800-ima fizičari James Clerk Maxwell iz Škotske i Hendrik Lorentz u Nizozemskoj utvrdili su da se svjetlo ponaša kao val. To je dokazano videći kako svjetlosni valovi pokazuju smetnje, difrakciju i raspršenje, koji su zajednički za sve vrste valova (uključujući valove u vodi.)
Dakle, Einsteinov argument iz 1905. godine da se svjetlost može ponašati i kao skup čestica bio je revolucionarni jer se nije uklapao u klasičnu teoriju elektromagnetskog zračenja. Ostali su znanstvenici postulirali teoriju prije njega, ali Einstein je bio prvi koji je u potpunosti razradio zašto se fenomen dogodio - i posljedice.
Primjerice, Heinrich Hertz iz Njemačke bio je prva osoba koja je vidjela fotoelektrični efekt 1887. Otkrio je da će, ako zasvijetli ultraljubičasto svjetlo na metalne elektrode, smanjiti napon potreban da se iskra pomiče iza elektroda, prema engleskom astronomu David Darling.
Tada je 1899. u Engleskoj J.J. Thompson je pokazao da ultraljubičasto svjetlo koje je pogodilo metalnu površinu uzrokuje izbacivanje elektrona. Kvantitativna mjera fotoelektričnog učinka dogodila se 1902. godine, radom Philippa Lenarda (bivšeg Hertzovog pomoćnika) bilo je jasno da svjetlost ima električna svojstva, ali ono što se događalo nije jasno.
Prema Einsteinu, svjetlost se sastoji od malih paketa, u početku nazvanih kvanta, a kasnije fotona. Kako se kvanta ponaša pod fotoelektričnim učinkom može se shvatiti misaonim eksperimentom. Zamislite mramor koji kruži u bušotini, što bi bilo poput vezanog elektrona za atom. Kad dođe do fotona, on pogodi mramor (ili elektron), što mu daje dovoljno energije za bijeg iz bunara. To objašnjava ponašanje metalnih površina koje udaraju svjetlost.
Dok je Einstein, tada mladi službenik za patent u Švicarskoj, objasnio taj fenomen 1905., bilo je potrebno 16 godina da se za njegovo djelo dodijeli Nobelova nagrada. Do toga je došlo nakon što je američki fizičar Robert Millikan ne samo potvrdio rad, nego je i pronašao odnos između jedne Einsteinove konstante i Planckove konstante. Posljednja konstanta opisuje kako se ponašaju čestice i valovi u atomskom svijetu.
Daljnje teorijske studije o fotoelektričnom učinku izveo je Arthur Compton 1922. (koji je pokazao da se rendgenske zrake također mogu tretirati kao fotoni i stekao je Nobelovu nagradu 1927.), kao i Ralph Howard Fowler 1931. (koji je pogledao odnos temperature metala i fotoelektrične struje.)
Prijave
Iako opis fotoelektričnog efekta zvuči vrlo teorijski, postoje mnoge praktične primjene njegovog rada. Britannica opisuje nekoliko:
Fotoelektrične ćelije izvorno su korištene za otkrivanje svjetlosti pomoću vakuumske cijevi koja sadrži katodu, za emitiranje elektrona i anode, za prikupljanje rezultirajuće struje. Danas su te „foto-cijevi“ napredne do fotodioda temeljenih na poluvodičima koji se koriste u aplikacijama poput solarnih ćelija i telekomunikacija s optičkim vlaknima.
Fotomultiplikatne cijevi su inačica fototabore, ali imaju nekoliko metalnih ploča koje se nazivaju dinode. Elektroni se oslobađaju nakon što svjetlost udari u katode. Zatim elektroni padaju na prvu dinodu, koja oslobađa više elektrona koji padnu na drugu dinodu, zatim na treću, četvrtu i tako dalje. Svaki dinod pojačava struju; nakon oko 10 dinoda, struja je dovoljno jaka da fotomultiplikatori mogu detektirati čak i pojedine fotone. Primjeri za to koriste se u spektroskopiji (koja razdvaja svjetlost na različite valne duljine, na primjer, kako bi saznali više o kemijskim sastavima zvijezda) i računalnoj aksijalnoj tomografiji (CAT) koji pregledava tijelo.
Ostale primjene fotodioda i fotomultipličara uključuju:
- tehnologija snimanja, uključujući (starije) cijevi za televizijske kamere ili pojačivače slike;
- proučavanje nuklearnih procesa;
- kemijska analiza materijala na temelju emitiranih elektrona;
- dajući teorijske podatke o tome kako elektroni u atomima prelaze između različitih energetskih stanja.
No, možda je najvažnija primjena fotoelektričnog efekta bila pokretanje kvantne revolucije
Znanstveni američki. To je natjeralo fizičare da razmišljaju o prirodi svjetlosti i strukturi atoma na potpuno novi način.
