Fotoelektriskais efekts attiecas uz to, kas notiek, kad elektronus izstaro no materiāla, kas absorbējis elektromagnētisko starojumu. Fiziķis Alberts Einšteins bija pirmais, kurš pilnībā aprakstīja efektu, un par savu darbu saņēma Nobela prēmiju.
Kāds ir fotoelektriskais efekts?
Gaismu, kuras enerģija pārsniedz noteiktu punktu, var izmantot, lai klauvē elektronus, atbrīvojot tos no cietas metāla virsmas, saskaņā ar Scientific American. Katra gaismas daļiņa, ko sauc par fotonu, saduras ar elektronu un daļu enerģijas izmanto enerģijas izkliedēšanai. Pārējā fotona enerģija pāriet uz bezmaksas negatīvo lādiņu, ko sauc par fotoelektronu.
Izpratne par to, kā tas darbojas, modernizēja mūsdienu fiziku. Fotoelektriskā efekta pielietojumi mums atnesa "elektrisko acu" durvju atvērējus, fotogrāfijā izmantojamos gaismas skaitītājus, saules paneļus un fotostatisko kopēšanu.
Atklājums
Pirms Einšteina šo efektu bija novērojuši zinātnieki, taču viņus mulsināja izturēšanās, jo viņi līdz galam nesaprata gaismas raksturu. 1800. gadu beigās fiziķi Džeimss Klerks Maksvels Skotijā un Hendriks Lorencs Nīderlandē noteica, ka gaisma, šķiet, uzvedas kā vilnis. Tas tika pierādīts, redzot, kā gaismas viļņi parāda traucējumus, difrakciju un izkliedi, kas ir raksturīgi visu veidu viļņiem (ieskaitot viļņus ūdenī).
Tātad Einšteina 1905. gada arguments, ka gaisma var izturēties arī kā daļiņu kopas, bija revolucionārs, jo tas neatbilst klasiskajai elektromagnētiskā starojuma teorijai. Citi zinātnieki bija postulējuši teoriju pirms viņa, bet Einšteins bija pirmais, kurš pilnībā izskaidroja, kāpēc šī parādība notika un kādas bija sekas.
Piemēram, 1887. gadā pirmais, kurš redzēja fotoelektrisko efektu, bija Heinrihs Hercs no Vācijas. Viņš atklāja, ka, ja viņš ultravioleto starojumu spīdēja uz metāla elektrodiem, viņš pazemināja spriegumu, kas vajadzīgs, lai dzirkstele pārvietotos aiz elektrodiem, pēc angļu astronoma teiktā. Deivids Dārlings.
Tad 1899. gadā Anglijā Dž. Tompsons parādīja, ka ultravioletās gaismas iedarbība uz metāla virsmu izraisīja elektronu izmešanu. Fotoelektriskā efekta kvantitatīvais rādītājs tika iegūts 1902. gadā ar Filipa Lenarda (bijušais Hertza palīgs) darbu. Bija skaidrs, ka gaismai ir elektriskas īpašības, taču tas, kas notiek, nav skaidrs.
Pēc Einšteina teiktā, gaismu veido mazas paciņas, kuras sākumā sauc par kvantām un vēlāk par fotoniem. To, kā kvanti uzvedas zem fotoelektriskā efekta, var saprast ar eksperimenta palīdzību. Iedomājieties, kā akā riņķo marmors, kas būtu kā atoms ar piesietu elektronu. Kad nonāk fotons, tas trāpa marmoram (vai elektronam), dodot tam pietiekami daudz enerģijas, lai izkļūtu no akas. Tas izskaidro viegli uzkrītošo metāla virsmu izturēšanos.
Kamēr Einšteins, jaunais patentu lietvedis Šveicē, 1905. gadā izskaidroja šo parādību, pagāja vēl 16 gadi, līdz par viņa darbu tika piešķirta Nobela prēmija. Tas notika pēc tam, kad amerikāņu fiziķis Roberts Millikans ne tikai pārbaudīja darbu, bet arī atrada saistību starp vienu no Einšteina konstantēm un Planka konstanci. Pēdējā konstante raksturo to, kā daļiņas un viļņi uzvedas atomu pasaulē.
Turpmākos agrīnos fotoelektriskā efekta teorētiskos pētījumus 1922. gadā veica Artūrs Komptons (kurš parādīja, ka rentgenstarus var arī uzskatīt par fotoniem un 1927. gadā nopelnīja Nobela prēmiju), kā arī Ralfs Hovards Fowlers 1931. gadā (kurš apskatīja saistība starp metāla temperatūru un fotoelektriskajām strāvām.)
Lietojumprogrammas
Kaut arī fotoelektriskā efekta apraksts izklausās ļoti teorētiski, tā darbam ir daudz praktisku pielietojumu. Britannica apraksta dažus:
Fotoelektriskās šūnas sākotnēji tika izmantotas gaismas noteikšanai, izmantojot vakuuma caurulīti ar katodu, elektronu izstarošanai un anodam, lai savāktu iegūto strāvu. Mūsdienās šie "fotokameras" ir attīstījušies līdz fotodiodiem, kuru pamatā ir pusvadītāji, kurus izmanto tādās lietojumprogrammās kā saules baterijas un optiskās šķiedras telekomunikācijas.
Fotoelektriskās multiplikatora caurules ir fototube variācijas, taču tām ir vairākas metāla plāksnes, ko sauc par dynodes. Elektroni tiek atbrīvoti pēc tam, kad gaisma iedarbojas uz katodiem. Pēc tam elektroni nokrīt uz pirmās dynodes, kas izdala vairāk elektronu, kas nokrīt uz otro dynode, pēc tam uz trešo, ceturto utt. Katrs dynode pastiprina strāvu; pēc apmēram 10 diodēm strāva ir pietiekami spēcīga, lai fotoelektriskie reizinātāji varētu noteikt pat atsevišķus fotonus. To piemēri tiek izmantoti spektroskopijā (kas sadala gaismu dažādos viļņu garumos, lai uzzinātu vairāk par, piemēram, zvaigznes ķīmisko sastāvu), un datorizētā aksiālās tomogrāfijas (CAT) skenēšanā, kas pārbauda ķermeni.
Citos fotodiodu un fotopavairotāju pielietojumos ietilpst:
- attēlveidošanas tehnoloģija, ieskaitot (vecākas) televīzijas kameru lampas vai attēla pastiprinātājus;
- kodolprocesu izpēte;
- materiālu ķīmiska analīze, pamatojoties uz to izstarotajiem elektroniem;
- sniedzot teorētisku informāciju par to, kā atomos esošie elektroni mainās starp dažādiem enerģijas stāvokļiem.
Bet, iespējams, vissvarīgākais fotoelektriskā efekta pielietojums bija kvantu revolūcijas sākšana
Zinātniskais amerikānis. Tas fiziķiem lika domāt par gaismas raksturu un atomu struktūru pavisam jaunā veidā.
