Den fotoelektriske effekten refererer til hva som skjer når elektroner sendes ut fra et materiale som har absorbert elektromagnetisk stråling. Fysiker Albert Einstein var den første som beskrev effekten fullt ut, og fikk en Nobelpris for sitt arbeid.
Hva er den fotoelektriske effekten?
Lys med energi over et bestemt punkt kan brukes til å slippe elektroner løs og frigjøre dem fra en solid metalloverflate, ifølge Scientific American. Hver lyspartikkel, kalt et foton, kolliderer med et elektron og bruker noe av sin energi på å løsne elektronet. Resten av fotonens energi overføres til gratis negativ ladning, kalt et fotoelektron.
Å forstå hvordan dette fungerer revolusjonerte moderne fysikk. Bruksområder for den fotoelektriske effekten brakte oss "elektriske øyne" døråpnere, lysmålere brukt i fotografering, solcellepaneler og fotostatisk kopiering.
Oppdagelse
Før Einstein var effekten observert av forskere, men de ble forvirret av oppførselen fordi de ikke helt forsto lysets natur. På slutten av 1800-tallet bestemte fysikerne James Clerk Maxwell i Skottland og Hendrik Lorentz i Nederland at lys ser ut til å oppføre seg som en bølge. Dette ble bevist ved å se hvordan lysbølger demonstrerer interferens, diffraksjon og spredning, som er felles for alle slags bølger (inkludert bølger i vann.)
Så Einsteins argument i 1905 om at lys også kan oppføre seg som sett med partikler var revolusjonerende fordi det ikke stemte overens med den klassiske teorien om elektromagnetisk stråling. Andre forskere hadde postulert teorien før ham, men Einstein var den første som fullstendig utdypet hvorfor fenomenet skjedde - og implikasjonene.
For eksempel var Heinrich Hertz fra Tyskland den første personen som så den fotoelektriske effekten, i 1887. Han oppdaget at hvis han skinte ultrafiolett lys på metallelektroder, senket han spenningen som trengs for å få en gnist til å bevege seg bak elektrodene, ifølge den engelske astronomen David Darling.
Så i 1899, i England, J.J. Thompson demonstrerte at ultrafiolett lys som treffer en metalloverflate forårsaket utstøting av elektroner. Et kvantitativt mål på den fotoelektriske effekten kom i 1902, med arbeid av Philipp Lenard (en tidligere assistent for Hertz.) Det var tydelig at lys hadde elektriske egenskaper, men hva som foregikk var uklart.
I følge Einstein består lys av små pakker, først kalt kvanta og senere fotoner. Hvordan kvanta oppfører seg under den fotoelektriske effekten kan forstås gjennom et tankeeksperiment. Se for deg en marmor som sirkler i en brønn, som vil være som et bundet elektron til et atom. Når et foton kommer inn, treffer det marmoren (eller elektronet), og gir den nok energi til å rømme fra brønnen. Dette forklarer oppførselen til lette metalloverflater.
Mens Einstein, den gang en ung patentkontor i Sveits, forklarte fenomenet i 1905, tok det ytterligere 16 år før Nobelprisen ble tildelt for hans arbeid. Dette kom etter at den amerikanske fysikeren Robert Millikan ikke bare bekreftet arbeidet, men også fant en sammenheng mellom en av Einsteins konstanter og Plancks konstant. Sistnevnte konstant beskriver hvordan partikler og bølger oppfører seg i atomverdenen.
Ytterligere tidlige teoretiske studier om den fotoelektriske effekten ble utført av Arthur Compton i 1922 (som viste at røntgenstråler også kunne behandles som fotoner og fikk Nobelprisen i 1927), samt Ralph Howard Fowler i 1931 (som så på forholdet mellom metall temperaturer og fotoelektriske strømmer.)
Applikasjoner
Mens beskrivelsen av den fotoelektriske effekten høres veldig teoretisk ut, er det mange praktiske anvendelser av dets arbeid. Britannica beskriver noen få:
Fotoelektriske celler ble opprinnelig brukt til å oppdage lys, ved å bruke et vakuumrør som inneholdt en katode, for å avgi elektroner og en anode for å samle den resulterende strømmen. I dag har disse "fotorørene" avansert til halvlederbaserte fotodioder som brukes i applikasjoner som solceller og fiberoptisk telekommunikasjon.
Fotomultiplikatorrør er en variant av fotorøret, men de har flere metallplater kalt dynoder. Elektroner frigjøres etter at lys slår katodene. Elektronene faller deretter på den første dynoden, som frigjør flere elektroner som faller på den andre dynoden, deretter videre til den tredje, fjerde og så videre. Hver dynode forsterker strømmen; etter omtrent 10 dynoder er strømmen sterk nok til at fotomultiplikatorene kan oppdage til og med enkeltfotoner. Eksempler på dette brukes i spektroskopi (som bryter lys i forskjellige bølgelengder for å lære mer om de kjemiske sammensetningene til for eksempel stjerne), og datastyrt aksial tomografi (CAT) skanninger som undersøker kroppen.
Andre bruksområder for fotodioder og fotomultiplikatorer inkluderer:
- bildeteknologi, inkludert (eldre) tv-kamerarør eller bildeforsterker;
- studere kjernefysiske prosesser;
- kjemisk analyse av materialer basert på deres utsendte elektroner;
- gi teoretisk informasjon om hvordan elektroner i atomer overgår mellom forskjellige energitilstander.
Men kanskje den viktigste bruken av den fotoelektriske effekten var å sette i gang kvantevolusjonen, ifølge
Vitenskapelig amerikansk. Det fikk fysikere til å tenke på lysets natur og strukturen til atomer på en helt ny måte.
