A fotoelektromos hatás arra utal, hogy mi történik, ha az elektromágneses sugárzást elnyelő anyagból elektronokat bocsátanak ki. Albert Einstein fizikus volt az első, aki teljes körűen leírta a hatást, és Nobel-díjat kapott munkájáért.
Mi a fotoelektromos hatás?
A Scientific American szerint egy bizonyos pont feletti energiájú fény felhasználható az elektronok laza koptatására, megszabadítva őket egy szilárd fémfelületről. A fény egyes részecskéi, úgynevezett fotonok, ütköznek egy elektronnal, és energiájának egy részét felhasználják az elektron eloszlatására. A foton többi energiája átjut a szabad negatív töltésbe, azaz fotoelektron.
A működés megértése forradalmasította a modern fizikát. A fotoelektromos effektus alkalmazásával "elektromos szem" ajtónyitók, fotózásban használt fénymérők, napelemek és fotoosztatikus másolás készültek.
Felfedezés
Einstein előtt a tudósok megfigyelték a hatást, ám ezeket a viselkedést összezavarták, mert nem voltak teljesen megértetve a fény természetét. Az 1800-as évek végén a skóciai James Clerk Maxwell és a hollandiai Hendrik Lorentz fizikusok úgy határoztak, hogy a fény hullámként viselkedik. Ezt bizonyítottuk azzal, hogy láttuk, hogy a fényhullámok hogyan mutatják be az interferenciát, a difrakciót és a szétszóródást, amelyek mindenféle hullámra jellemzőek (beleértve a vízben lévő hullámokat is).
Tehát Einstein 1905-ös érve, miszerint a fény részecskehalmazként is viselkedhet, forradalmi volt, mert nem egyezett az elektromágneses sugárzás klasszikus elméletével. Más tudósok posztulálták az elméletet előtte, de Einstein volt az első, aki alaposan kidolgozta a jelenség előfordulásának okait és annak következményeit.
Az angol csillagász szerint például Heinrich Hertz (németországi) volt az első, aki 1877-ben látta a fotoelektromos hatást. Felfedezte, hogy ha ultraibolya fényt fém elektródákra világít, lecsökkentette az elektródok mögött egy szikra mozgatásához szükséges feszültséget. David Darling.
Aztán 1899-ben, Angliában, J.J. Thompson bebizonyította, hogy egy fémfelületre ülő ultraibolya fény elektronok kibocsátását okozta. A fotoelektromos hatás mennyiségi mérése 1902-ben történt, Philipp Lenard (a Hertz volt asszisztense) munkájával. Világos volt, hogy a fénynek elektromos tulajdonságai vannak, de mi nem zajlik.
Einstein szerint a fény kis csomagokból áll, amelyeket először kvantának és később fotonnak hívnak. Hogy hogyan viselkednek a kvantumok a fotoelektromos hatás alatt, egy gondolati kísérlet segítségével lehet megérteni. Képzeljen el egy márványban egy kútban körbejáró képet, amely olyan lenne, mint egy atomhoz kötött elektron. Amikor egy foton belép, eltalálja a márványt (vagy elektronot), és elegendõ energiát ad neki, hogy elkerülje a kútot. Ez magyarázza a könnyű fémfelületek viselkedését.
Míg Einstein, akkoriban egy fiatal svájci szabadalmi tiszt, 1905-ben magyarázta a jelenséget, további 16 évbe telt, míg Nobel-díjat odaítélték munkájáért. Ez azután történt, hogy Robert Millikan amerikai fizikus nemcsak ellenőrizte a munkát, hanem kapcsolatot talált Einstein egyik állandója és Planck állandója között. Ez utóbbi állandó leírja, hogy a részecskék és a hullámok hogyan viselkednek az atomvilágban.
A fotoelektromos hatásról szóló további korai elméleti tanulmányokat Arthur Compton 1922-ben (aki kimutatta, hogy a röntgenfelvételeket fotonokként is kezelhetők és 1927-ben Nobel-díjat nyertek), valamint Ralph Howard Fowler 1931-ben (aki a kapcsolat a fém hőmérséklete és a fotoelektromos áram között.)
Alkalmazások
Noha a fotoelektromos hatás leírása nagyon elméletileg hangzik, munkájának számos gyakorlati alkalmazása van. A Britannica néhányat ír le:
A fotoelektromos cellákat eredetileg a katódot tartalmazó vákuumcső felhasználásával, a katódot tartalmazó vákuumcső segítségével detektálták, elektronok és egy anód kibocsátására, a kapott áram összegyűjtésére. Manapság ezek a "fénycsövek" a félvezető alapú fotodiodok felé haladtak, amelyeket olyan alkalmazásokban használnak, mint például a napelemek és az optikai távközlés.
A fényszorzó csövek a fénycső egyik variációja, de több fémlemezük van, úgynevezett dynodes. Az elektronok felszabadulnak, miután a fény megüti a katódokat. Az elektronok azután esnek az első dynode-ra, amely több elektronot szabadít fel, amelyek a második dynode-ra, majd a harmadik, negyedikre és így tovább esnek fel. Minden dynode erősíti az áramot; Körülbelül 10 dinóda után az áram elég erős ahhoz, hogy a fényelepítők még egyetlen fotont is észleljenek. Erre példa a spektroszkópia (amely a fényt különböző hullámhosszokra bontja, hogy többet megtudhasson például a csillag kémiai összetételéről), és a számítógépes axiális tomográfia (CAT) vizsgálatok során vizsgálják a testet.
A fotodiodok és a fényelepítők egyéb alkalmazásai a következők:
- képalkotó technológia, beleértve (régebbi) televíziós kameracsöveket vagy képerősítőket;
- nukleáris folyamatok tanulmányozása;
- anyagok kémiai elemzése az általuk kibocsátott elektronok alapján;
- elméleti információt nyújt arról, hogy az atomok elektronjai hogyan mozognak a különböző energiaállapotok között.
De a fotoelektromos hatás talán a legfontosabb alkalmazása a kvantumforradalom elindítása volt
Tudományos amerikai. Ez arra késztette a fizikusokat, hogy egy teljesen új módon gondolkodjanak a fény természetén és az atomok szerkezetén.
