Фотоелектрични ефекат односи се на оно што се дешава када се из материјала који апсорбује електромагнетно зрачење емитују електрони. Физичар Алберт Ајнштајн био је први који је у потпуности описао ефекат и за своје дело добио Нобелову награду.
Шта је фотоелектрични ефекат?
Светлост са енергијом изнад одређене тачке може да се користи за разбијање електрона, ослобађајући их од чврсте металне површине, наводи Сциентифиц Америцан. Свака честица светлости, која се назива фотон, судара се са електроном и користи део своје енергије за дислогирање електрона. Остатак енергије фотона преноси се на бесплатно негативни набој, назван фотоелектрон.
Разумевање како ово делује револуционизирало је модерну физику. Примјена фотоелектричног ефекта донијела нам је отвараче врата "електричног ока", бројила свјетла која се користе у фотографији, соларне плоче и фотостатичко копирање.
Откриће
Пре Ајнштајна, ефекат су приметили научници, али они су били збуњени понашањем јер нису у потпуности разумели природу светлости. Крајем 1800-их, физичари Јамес Цлерк Маквелл из Шкотске и Хендрик Лорентз у Холандији утврдили су да се светлост понаша као талас. Ово је доказано видећи како светлосни таласи показују сметње, дифракцију и распршење, који су заједнички свим врстама таласа (укључујући таласе у води.)
Еинстеинов аргумент из 1905. године да се светлост може понашати и као честице је био револуционарни јер се није уклапао у класичну теорију електромагнетног зрачења. Други научници су постулирали теорију пре њега, али Ајнштајн је био први који је у потпуности разрадио зашто се феномен догодио - и импликације.
На пример, Хеинрицх Хертз из Немачке био је прва особа која је видела фотоелектрични ефекат 1887. Открио је да ако је ударио ултраљубичасто светло на металне електроде, спустио је напон потребан да се искра креће иза електрода, тврди енглески астроном Давид Дарлинг.
Тада је 1899. године у Енглеској Ј.Ј. Тхомпсон је показао да ултраљубичасто светло које удара у металну површину изазива избацивање електрона. Квантитативна мера фотоелектричног ефекта настала је 1902. године, радом Филипа Ленарда (бившег помоћника Хертза) било је јасно да светлост има електрична својства, али шта се догађа није било јасно.
Према Ајнштајну, светлост се састоји од малих пакета, у почетку названих кванта, а касније фотона. Како се кванта понаша под фотоелектричним ефектом може се схватити мисаоним експериментом. Замислите да се мермер кружи у бунару, што би било попут везаног електрона за атом. Када дође до фотона, он погоди мермер (или електрон), што му даје довољно енергије да побјегне из извора. Ово објашњава понашање металних површина које ударају светлост.
Док је Еинстеин, тада млади службеник за патенте у Швајцарској, објаснио тај феномен 1905. године, било је потребно 16 година да се за његово дело додељује Нобелова награда. До тога је дошло након што је амерички физичар Роберт Милликан не само потврдио рад, већ је и нашао везу између једне од Еинстеинових константи и Планцкове константе. Последња константа описује како се понашају честице и таласи у атомском свету.
Даљња теоријска испитивања фотоелектричног ефекта извела су Артхур Цомптон 1922. године (која је показала да се рендгенски зраци такође могу третирати као фотони и стекао Нобелову награду 1927.), као и Ралпх Ховард Фовлер 1931. (који је погледао однос између температуре метала и фотоелектричне струје.)
Апликације
Иако опис фотоелектричног ефекта звучи врло теоријски, постоје многе практичне примене његовог рада. Британница описује неколико:
Фотоелектричне ћелије су првобитно коришћене за детекцију светлости, помоћу вакуумске цеви са катодом, за емитовање електрона и аноде, за прикупљање резултирајуће струје. Данас су ове „фото-цеви“ напредовале до фотодиода заснованих на полуводичима који се користе у апликацијама као што су соларне ћелије и телекомуникације са оптичким влакнима.
Цеви за фотомултипликаторе су варијација фото-цеви, али имају неколико металних плоча које се називају диноде. Електрони се ослобађају након што светлост погоди катоде. Затим електрони падају на прву диноду, која ослобађа више електрона који падају на другу диноду, затим на трећу, четврту и тако даље. Сваки динод појачава струју; након око 10 динода, струја је довољно јака да фотомултипликатори могу детектовати чак и појединачне фотоне. Примери за то се користе у спектроскопији (која раздваја светлост на различите таласне дужине да би се сазнало више о хемијским саставима звезде, на пример), и компјутеризованој аксијалној томографији (ЦАТ) који прегледава тело.
Остале примјене фотодиода и фотомултиплиатора укључују:
- технологија за обраду слика, укључујући (старије) цеви за телевизијске камере или појачиваче слике;
- проучавање нуклеарних процеса;
- хемијска анализа материјала на основу емитованих електрона;
- дајући теоријске податке о томе како електрони у атомима прелазе између различитих енергетских стања.
Али, можда, најважнија примена фотоелектричног ефекта била је покретање квантне револуције
Сциентифиц Америцан. То је навело физичаре да размишљају о природи светлости и структури атома на потпуно нов начин.
