Fizyka

Gdy światło uderza w materiały, może wyrzucać z nich elektrony. Nazywa się to efektem fotoelektrycznym, co oznacza, że światło (foto) wytwarza energię elektryczną. Jednym z powszechnych zastosowań efektu fotoelektrycznego są światłomierze, takie jak te, które regulują automatyczną przysłonę w różnych typach aparatów fotograficznych. W podobny sposób efekt ten jest wykorzystywany w ogniwach słonecznych, które prawdopodobnie masz w swoim kalkulatorze, widziałeś na dachu lub na znaku drogowym. Wykorzystują one efekt fotoelektryczny do przekształcania światła w energię elektryczną do zasilania różnych urządzeń.

Efekt ten jest znany od ponad wieku i może być badany przy użyciu urządzenia takiego jak to pokazane na rysunku 1. Rysunek ten przedstawia próżniową rurkę z metalową płytką i drutem kolektora, które są połączone zmiennym źródłem napięcia, przy czym kolektor jest bardziej ujemny niż płytka. Kiedy światło (lub inne promieniowanie EM) uderza w płytkę w rurze próżniowej, może ono wyrzucić elektrony. Jeżeli elektrony te mają energię w elektronowoltach (eV) większą niż różnica potencjałów między płytą a przewodem w woltach, to część elektronów zostanie zgromadzona na przewodzie. Ponieważ energia elektronów w eV to eV, gdzie q to ładunek elektronu, a V to różnica potencjałów, energię elektronów można zmierzyć regulując napięcie opóźniające pomiędzy drutem a płytką. Napięcie, które powstrzymuje elektrony przed dotarciem do drutu równa się energii w eV. Na przykład, jeżeli -3,00 V ledwo zatrzymuje elektrony, ich energia wynosi 3,00 eV. Liczba wyrzuconych elektronów może być określona poprzez pomiar prądu pomiędzy drutem a płytką. Im więcej światła, tym więcej elektronów; niewielki obwód pozwala na użycie tego urządzenia jako światłomierza.

To, co jest naprawdę ważne o efekcie fotoelektrycznym, to to, co Albert Einstein z niego wywnioskował. Einstein zdał sobie sprawę, że istnieje kilka cech efektu fotoelektrycznego, które mogą być wyjaśnione tylko wtedy, gdy promieniowanie EM jest samo w sobie skwantowane: pozornie ciągły strumień energii w fali EM jest w rzeczywistości złożony z kwantów energii zwanych fotonami. W swoim wyjaśnieniu efektu fotoelektrycznego, Einstein zdefiniował skwantowaną jednostkę lub kwant energii EM, który obecnie nazywamy fotonem, o energii proporcjonalnej do częstotliwości promieniowania EM. W postaci równania, energia fotonu to E = hf, gdzie E jest energią fotonu o częstotliwości f, a h jest stałą Plancka. Ten rewolucyjny pomysł wygląda podobnie do kwantowania stanów energetycznych przez Plancka w oscylatorach ciała doskonale czarnego, ale jest zupełnie inny. Jest to kwantyzacja samego promieniowania EM. Fale EM składają się z fotonów i nie są ciągłymi, gładkimi falami, jak to opisano w poprzednich rozdziałach o optyce. Ich energia jest pochłaniana i emitowana w bryłach, a nie w sposób ciągły. Jest to dokładnie zgodne z planckowską kwantyzacją poziomów energetycznych w oscylatorach ciała doskonale czarnego, ponieważ oscylatory te zwiększają i zmniejszają swoją energię w krokach co hf poprzez pochłanianie i emitowanie fotonów o energii E = hf. Nie obserwujemy tego za pomocą naszych oczu, ponieważ w zwykłych źródłach światła jest tak wiele fotonów, że pojedyncze fotony pozostają niezauważone. (Patrz rysunek 2.) Następna część tekstu (Energie fotonów i widmo elektromagnetyczne) poświęcona jest omówieniu fotonów i niektórych ich właściwości oraz implikacji. Na razie użyjemy koncepcji fotonu do wyjaśnienia efektu fotoelektrycznego, podobnie jak zrobił to Einstein.

Efekt fotoelektryczny ma właściwości omówione poniżej. Wszystkie te własności są zgodne z ideą, że poszczególne fotony promieniowania EM są absorbowane przez poszczególne elektrony w materiale, przy czym elektron zyskuje energię fotonu. Niektóre z tych własności są sprzeczne z ideą, że promieniowanie EM jest prostą falą. Dla uproszczenia rozważmy, co dzieje się z monochromatycznym promieniowaniem EM, w którym wszystkie fotony mają tę samą energię hf.

1. Jeśli zmienimy częstotliwość promieniowania EM padającego na materiał, stwierdzimy, co następuje: Dla danego materiału istnieje częstotliwość progowa f0 dla promieniowania EM, poniżej której nie są wyrzucane żadne elektrony, niezależnie od natężenia. Poszczególne fotony oddziałują z poszczególnymi elektronami. Jeśli więc energia fotonu jest zbyt mała, aby oderwać elektron, to żaden elektron nie zostanie wyrzucony. Gdyby promieniowanie EM było prostą falą, wystarczającą energię można by uzyskać przez zwiększenie natężenia.
2. Gdy promieniowanie EM pada na materiał, elektrony są wyrzucane bez zwłoki. Gdy tylko pojedynczy foton o dostatecznie wysokiej częstotliwości zostanie pochłonięty przez pojedynczy elektron, zostaje on wyrzucony. Gdyby promieniowanie EM było prostą falą, potrzeba by było kilku minut, aby na powierzchni metalu osadziła się energia wystarczająca do wyrzucenia elektronu.
3. Liczba elektronów wyrzuconych w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia promieniowania EM i do żadnej innej cechy. Promieniowanie EM o dużym natężeniu składa się z dużej liczby fotonów na jednostkę powierzchni, przy czym wszystkie fotony mają tę samą energię charakterystyczną hf.
4. Jeśli zmienimy natężenie promieniowania EM i zmierzymy energię wyrzuconych elektronów, stwierdzimy, co następuje: Maksymalna energia kinetyczna wyrzuconych elektronów jest niezależna od natężenia promieniowania EM. Ponieważ w materiale jest tak wiele elektronów, jest bardzo mało prawdopodobne, że dwa fotony będą oddziaływać z tym samym elektronem w tym samym czasie, zwiększając w ten sposób jego energię. Zamiast tego (jak zauważono w punkcie 3 powyżej), zwiększone natężenie powoduje wyrzucenie większej ilości elektronów o tej samej energii. Gdyby promieniowanie EM było prostą falą, większe natężenie mogłoby dać więcej energii, a elektrony o wyższej energii zostałyby wyrzucone.
5. Energia kinetyczna wyrzuconego elektronu równa się energii fotonu minus energia wiązania elektronu w danym materiale. Pojedynczy foton może oddać całą swoją energię elektronowi. Energia fotonu jest częściowo wykorzystywana do oderwania elektronu od materiału. Pozostała część idzie na energię kinetyczną wyrzuconego elektronu. W formie równania, jest to dane przez KEe = hf – BE, gdzie KEe jest maksymalną energią kinetyczną wyrzuconego elektronu, hf jest energią fotonu, a BE jest energią wiązania elektronu z danym materiałem. (BE jest czasami nazywane funkcją pracy materiału). Równanie to, którego autorem jest Einstein w 1905 roku, wyjaśnia ilościowo właściwości efektu fotoelektrycznego. Pojedynczy foton promieniowania elektromagnetycznego (nie dociera ono w inny sposób) oddziałuje z pojedynczym elektronem, dostarczając mu wystarczającą ilość energii, BE, aby go oderwać, a pozostała część idzie na energię kinetyczną. Energia wiązania wynosi BE = hf0, gdzie f0 jest częstotliwością progową dla danego materiału. Rysunek 3 przedstawia wykres maksymalnej KEe w funkcji częstotliwości padającego promieniowania EM na dany materiał.

Pomysł Einsteina, że promieniowanie EM jest skwantowane, był kluczowy dla początków mechaniki kwantowej. Jest to koncepcja o wiele bardziej ogólna niż mogłoby to sugerować wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego. Całe promieniowanie EM może być również modelowane w postaci fotonów, a charakterystyka promieniowania EM jest całkowicie zgodna z tym faktem. (Jak zobaczymy w następnym rozdziale, wiele aspektów promieniowania EM, takich jak zagrożenia związane z promieniowaniem ultrafioletowym (UV), można wyjaśnić jedynie poprzez właściwości fotonów). Einstein, bardziej znany z nowoczesnej teorii względności, zasiał ważne ziarno dla mechaniki kwantowej w 1905 r., w tym samym roku, w którym opublikował swoją pierwszą pracę na temat szczególnej teorii względności. Jego wyjaśnienie efektu fotoelektrycznego było podstawą do przyznania mu Nagrody Nobla w 1921 roku. Choć w nagrodzie tej odnotowano także inne jego zasługi dla fizyki teoretycznej, szczególna i ogólna teoria względności nie zostały w pełni uznane, mimo że do 1921 r. zostały częściowo zweryfikowane eksperymentalnie. Chociaż czczony jako bohater, ten wielki człowiek nigdy nie otrzymał Nobla za swoją najsłynniejszą pracę – względność.