Den fotoelektriske effekt refererer til hvad der sker, når der udsendes elektroner fra et materiale, der har absorberet elektromagnetisk stråling. Fysiker Albert Einstein var den første til at beskrive effekten fuldt ud og modtog en Nobelpris for sit arbejde.
Hvad er den fotoelektriske effekt?
Lys med energi over et bestemt punkt kan bruges til at løsne elektroner og frigøre dem fra en fast metaloverflade, ifølge Scientific American. Hver lyspartikel, kaldet en foton, kolliderer med et elektron og bruger noget af dets energi til at fjerne elektronet. Resten af fotonens energi overføres til den gratis negative ladning, kaldet et fotoelektron.
At forstå, hvordan dette fungerer, revolutionerede moderne fysik. Anvendelser af den fotoelektriske effekt bragte os "elektriske øjne" døråbnere, lysmålere brugt i fotografering, solpaneler og fotostatisk kopiering.
Opdagelse
Før Einstein var effekten observeret af videnskabsmænd, men de blev forvirrede af opførslen, fordi de ikke fuldt ud forstod lysets natur. I slutningen af 1800-tallet bestemte fysikerne James Clerk Maxwell i Skotland og Hendrik Lorentz i Holland, at lys ser ud til at opføre sig som en bølge. Dette blev bevist ved at se, hvordan lysbølger demonstrerer interferens, diffraktion og spredning, som er fælles for alle slags bølger (inklusive bølger i vand.)
Så Einsteins argument i 1905 om, at lys også kan opføre sig som partikelsæt, var revolutionerende, fordi det ikke stemte overens med den klassiske teori om elektromagnetisk stråling. Andre forskere havde postuleret teorien før ham, men Einstein var den første, der uddybte grundigt, hvorfor fænomenet opstod - og konsekvenserne.
F.eks. Var Heinrich Hertz fra Tyskland den første person, der så den fotoelektriske effekt, i 1887. Han opdagede, at hvis han lyste ultraviolet lys på metalelektroder, sænkede han den nødvendige spænding for at få en gnist til at bevæge sig bag elektroderne, ifølge den engelske astronom David Darling.
Derefter i 1899 i England, J.J. Thompson demonstrerede, at ultraviolet lys, der rammer en metaloverflade, forårsagede udsendelse af elektroner. Et kvantitativt mål for den fotoelektriske effekt kom i 1902 med arbejde af Philipp Lenard (en tidligere assistent for Hertz.) Det var tydeligt, at lys havde elektriske egenskaber, men hvad der foregik var uklart.
Ifølge Einstein består lys af små pakker, først kaldet quanta og senere fotoner. Hvordan kvanta opfører sig under den fotoelektriske effekt kan forstås gennem et tankeeksperiment. Forestil dig en marmor, der cirkler i en brønd, der ville være som en bundet elektron til et atom. Når et foton kommer ind, rammer det marmoren (eller elektronet), hvilket giver den nok energi til at flygte fra brønden. Dette forklarer opførslen af lys, der rammer metaloverflader.
Mens Einstein, dengang en ung patentansat i Schweiz, forklarede fænomenet i 1905, tog det yderligere 16 år, før Nobelprisen blev tildelt for hans arbejde. Dette kom efter, at den amerikanske fysiker Robert Millikan ikke kun verificerede værket, men også fandt en forbindelse mellem en af Einsteins konstanter og Plancks konstante. Sidstnævnte konstant beskriver, hvordan partikler og bølger opfører sig i atomverdenen.
Yderligere tidlige teoretiske undersøgelser af den fotoelektriske effekt blev udført af Arthur Compton i 1922 (som viste, at røntgenstråler også kunne behandles som fotoner og fik Nobelprisen i 1927) samt Ralph Howard Fowler i 1931 (der så på forholdet mellem metalltemperaturer og fotoelektriske strømme.)
Applikationer
Mens beskrivelsen af den fotoelektriske effekt lyder meget teoretisk, er der mange praktiske anvendelser af dens arbejde. Britannica beskriver et par:
Fotoelektriske celler blev oprindeligt brugt til at detektere lys ved hjælp af et vakuumrør indeholdende en katode, til at udsende elektroner og en anode til at opsamle den resulterende strøm. I dag er disse "fotorør" avancerede til halvlederbaserede fotodioder, der bruges til applikationer som solceller og fiberoptisk telekommunikation.
Fotomultiplikatorrør er en variation af fotorøret, men de har flere metalplader kaldet dynoder. Elektroner frigives efter lys har ramt katoderne. Elektronerne falder derefter på den første dynode, som frigiver flere elektroner, der falder på den anden dynode, derefter videre til den tredje, fjerde osv. Hver dynode forstærker strømmen; efter ca. 10 dynoder er strømmen stærk nok til, at fotomultiplikatorerne kan detektere endda enkeltfotoner. Eksempler på dette bruges i spektroskopi (der bryder lys op i forskellige bølgelængder for at lære mere om de kemiske sammensætninger af stjerne, for eksempel), og computeriseret aksial tomografi (CAT) -scanninger, der undersøger kroppen.
Andre anvendelser af fotodioder og fotomultiplikatorer inkluderer:
- billeddannelsesteknologi, herunder (ældre) tv-kamerarør eller billedforstærkere;
- studere nukleare processer;
- kemisk analyse af materialer baseret på deres emitterede elektroner;
- give teoretisk information om, hvordan elektroner i atomer overgår mellem forskellige energitilstander.
Men måske den vigtigste anvendelse af den fotoelektriske effekt var at sætte kvanterevolutionen i gang ifølge
Videnskabelig amerikansk. Det fik fysikere til at tænke på lysets natur og strukturen af atomer på en helt ny måde.
