Fotoelektrický efekt se týká toho, co se stane, když jsou elektrony emitovány z materiálu, který absorboval elektromagnetické záření. Fyzik Albert Einstein byl první, kdo celý efekt popsal, a za svou práci získal Nobelovu cenu.
Jaký je fotoelektrický efekt?
Světlo s energií nad určitým bodem může být použito pro klepání elektronů, uvolnění z pevného kovového povrchu, podle Scientific American. Každá částice světla, nazývaná foton, se srazí s elektronem a využívá část své energie k uvolnění elektronu. Zbytek energie fotonu se přenáší na záporný záporný náboj, nazývaný fotoelektron.
Pochopení toho, jak to funguje, revoluci moderní fyziky. Aplikace fotoelektrického efektu nám přinesla „elektrické oko“ otevírače dveří, měřiče světla používané ve fotografii, solární panely a fotostatické kopírování.
Objev
Před Einsteinem byl účinek pozorován vědci, ale byli chováni zmateným chováním, protože úplně nerozuměli povaze světla. Na konci 18. století fyzici James Clerk Maxwell ve Skotsku a Hendrik Lorentz v Nizozemsku určili, že se světlo chová jako vlna. Toto bylo prokázáno tím, že vidíme, jak světelné vlny projevují rušení, difrakci a rozptyl, které jsou společné pro všechny druhy vln (včetně vln ve vodě).
Einsteinův argument v roce 1905, že se světlo může chovat také jako soubor částic, byl revoluční, protože se neshodoval s klasickou teorií elektromagnetického záření. Jiní vědci tuto teorii před sebou postulovali, ale Einstein byl první, kdo plně rozpracoval, proč k tomuto jevu došlo - a důsledky.
Například, Heinrich Hertz z Německa byl první osobou, která viděla fotoelektrický efekt, v roce 1887. Zjistil, že pokud na kovové elektrody zářil ultrafialovým světlem, snížil napětí potřebné k tomu, aby se jiskra pohybovala za elektrodami, podle anglického astronoma. David Darling.
Pak v roce 1899, v Anglii, J.J. Thompson demonstroval, že ultrafialové světlo dopadající na kovový povrch způsobilo vyhazování elektronů. Kvantitativní míra fotoelektrického jevu přišla v roce 1902, s prací Philipp Lenarda (bývalého asistenta Hertze). Bylo jasné, že světlo má elektrické vlastnosti, ale to, co se dělo, bylo nejasné.
Podle Einsteina je světlo tvořeno malými pakety, nejprve nazývanými quanta a později fotony. Jak se quanta chová pod fotoelektrickým efektem, lze pochopit myšlenkovým experimentem. Představte si mramor kroužící ve studně, který by byl jako vázaný elektron k atomu. Když vstoupí foton, zasáhne mramor (nebo elektron) a dá mu dostatek energie k úniku ze studny. To vysvětluje chování lehkých kovových povrchů.
Zatímco Einstein, tehdejší mladý patentový úředník ve Švýcarsku, vysvětlil tento jev v roce 1905, za udělení Nobelovy ceny za jeho práci trvalo dalších 16 let. Toto přišlo poté, co americký fyzik Robert Millikan práci nejen ověřil, ale také našel vztah mezi jednou z Einsteinových konstant a Planckovou konstantou. Druhá konstanta popisuje, jak se částice a vlny chovají v atomovém světě.
Další rané teoretické studie o fotoelektrickém efektu byly provedeny Arthurem Comptonem v roce 1922 (který ukázal, že rentgenové paprsky lze také považovat za fotony a v roce 1927 získal Nobelovu cenu), stejně jako Ralpha Howarda Fowlera v roce 1931 (který se podíval na vztah mezi kovovými teplotami a fotoelektrickými proudy.)
Aplikace
Zatímco popis fotoelektrického jevu zní velmi teoreticky, existuje mnoho praktických aplikací jeho práce. Britannica popisuje několik:
Fotoelektrické buňky byly původně používány k detekci světla pomocí vakuové trubice obsahující katodu, aby emitovaly elektrony a anody, aby se získal výsledný proud. Dnes tyto „fototrubičky“ pokročily na polovodičové fotodiody, které se používají v aplikacích, jako jsou solární články a telekomunikace s optickými vlákny.
Fotonásobičové trubice jsou variací fototrubice, ale mají několik kovových desek zvaných dynody. Elektrony se uvolňují poté, co světlo zasáhne katody. Elektrony pak padají na první dynodu, která uvolňuje další elektrony, které dopadají na druhou dynodu, poté na třetí, čtvrtou a tak dále. Každá dynoda zesiluje proud; po asi 10 dynodách je proud dostatečně silný, aby fotonásobiče detekovaly i jednotlivé fotony. Příklady toho jsou použity ve spektroskopii (která rozděluje světlo na různé vlnové délky, aby se dozvěděla více o chemickém složení hvězd, například), a počítačových skenech axiální tomografie (CAT), které zkoumají tělo.
Další aplikace fotodiod a fotonásobičů zahrnují:
- zobrazovací technologie, včetně (starších) trubic televizních kamer nebo zesilovačů obrazu;
- studium jaderných procesů;
- chemicky analyzující materiály založené na jejich emitovaných elektronech;
- Poskytování teoretických informací o tom, jak elektrony v atomech přecházejí mezi různými energetickými stavy.
Ale možná nejdůležitějším uplatněním fotoelektrického jevu bylo podle kvantové revoluce
Vědecký Američan. To vedlo fyziky k přemýšlení o povaze světla a struktuře atomů zcela novým způsobem.
