אפקט פוטואלקטרי

מתכת מכילה אלקטרונים ניידים רבים. קל יחסית לרגש אלקטרונים אלה, ואם הם מתרגשים עם מספיק אנרגיה, הם יכולים לעזוב את המתכת. כאשר עירור כזה נעשה עם אור, האלקטרונים שנפלטו ידועים בשם פוטואלקטרון ואפקט זה ידוע בשם האפקט הפוטואלקטרי. נצפתה כי על מנת שזה יקרה, התדירות (ו) של האור חייבת לחרוג מסף מינימלי כלשהו (f₀), או שווה ערך, אורך הגל של האור (λ), הקשור לתדירות f על ידי:

(עם c ≈ 3x10⁸ m /s להיות מהירות האור) צריך להיות מתחת לסף כלשהו (λ_0),כלומר, f > f₀ (λ < λ_0). אחרת, אם f < f₀ (λ > λ₀), לא פוטואלקטרון לא ייפלט אפילו עם תאורת אור אינטנסיבית.

אלברט איינשטיין היה מסוגל להסביר תצפיות אלה באמצעות המושג של פוטונים, quanta של אור. האור מורכב מרבים של פוטונים דמויי חלקיקים כאלה, ולכל פוטון יש אנרגיה:

עם h ≈ 6.63x10^-34 Js, הנקרא הקבוע של פלאנק, המקשר את תדר האור לאנרגיית פוטון.

התהליך המיקרוסקופי של האפקט הפוטואלקטרי הוא כי פוטון בודד נספג על ידי המתכת והאנרגיה שלה משמשת כדי לרגש אלקטרון. האלקטרון ייפלט מהמתכת אם אנרגיית הפוטן,

כאשר W מכונה "פונקציית העבודה" ומייצג את האנרגיה המינימלית הדרושה לשחרור האלקטרון מהמתכת. אם

גם אם האור הוא אינטנסיבי (כלומר הוא מכיל מספר רב של פוטונים) וגם אם האור זוהר במשך זמן רב, לא פוטואלקטרון לא יופק שכן הפוטונים בודדים אין מספיק אנרגיה כדי לשחרר אלקטרונים.

ההסבר של איינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי היה משמעותי מבחינה היסטורית שכן הוא סיפק תמיכה מרכזית בתיאוריית הפוטונים (קוואנטה של אור), אשר מראה כי האור יכול להתנהג כמו חלקיקים בנוסף לגלים אלקטרומגנטיים, ולהחזיק בטבע גל החלקיקים הכפול.

לדוגמה, אבץ (Zn) מתכת לשימוש בניסוי זה יש פונקציית עבודה של W ≈ 4.3 eV (עם 1 eV ≈ 1.6x10^-19 J). משמעות הדבר היא כי תדירות הסף עבור האפקט הפוטואלקטרי עבור Zn יהיה:

מתאים לאורך גל סף,

על מנת לייצר פוטואלקטרון מתוך Zn, האור חייב להיות תדר העולה על f0 ≈ 1015 הרץ, או אורך גל מתחת λ₀ ≈ 300 ננומטר. אורך גל קצר כזה מתאים UV (שכן האור הנראה יש אורך גל העולה ~ 400 ננומטר, אשר מתאים צבע סגול).

מכיוון שאלקטרון נושא מטען שלילי, האפקט הפוטואלקטרי יסיר מטענים שליליים ממתכת (למעשה מוסיף לו מטענים חיוביים). אם המתכת נגבית במקור לרעה, זה יהפוך אותה לפחות טעונה. אם המתכת טעונה באופן חיובי במקור, זה יעשה את זה טעון יותר. השפעות כאלה ייחקרו בניסוי זה.

עבור שלבים 2.1-2.4, האלקטרוסקופ נשאר טעון (המחט נשארת מוסטה) הן עבור המנורה הרגילה והן עבור תאורת אור UV (איור 2b ו- 2c),המציין כי צלחת האבץ נשארת טעונה באופן חיובי. הסיבה לכך היא צלחת אבץ טעון (אשר כבר איבד כמה אלקטרונים מלכתחילה להיות טעון חיובית) עוד לאבד photoelectrons על ידי אור UV כדי להפוך אותו טעון חיובי עוד יותר. בקטגוריה זו, ניתן להבחין במחט האלקטרוסקופ מעט יותר באיור 2c. האור הנראה הרגיל אינו משנה את המטענים החיוביים על צלחת האבץ והאלקטרוסקופ נשאר טעון גם כן(איור 2b).

בשלבים 3.1-3.5, כאשר צלחת האבץ טעונה לרעה, ניתן להבחין כי לאור המנורה הרגיל שוב אין השפעה על האלקטרוסקופ (איור 3b), בעוד שאור ה- UV גורם למחט האלקטרוסקופ להתמוטט ולחזור למצב הלא טעון ללא הסטה, איור 3c. הסיבה לכך היא שרק לפוטונים של אור UV יש מספיק אנרגיה (מעל העבודה של אבץ) כדי להוציא פוטואלקטרונים, ובכך לפרוק את האבץ שנטען בעבר כשלילי (עם אלקטרונים עודפים).

בניסוי זה, עשינו שימוש באלקטרוסקופ כדי להראות שאור UV יכול לפרוק מתכת אבץ טעונה שלילית דרך האפקט הפוטואלקטרי. לעומת זאת, דגימת אבץ טעונה חיובית (שכבר איבדה כמה אלקטרונים) לא תשוחרר, וגם אור נראה (שאינו יכול לגרום לאפקט הפוטואלקטרי) ישתחרר אבץ שלילי או חיובי.

האפקט הפוטואלקטרי מילא תפקידים חשובים בהתפתחות הפיזיקה הקוונטית במאה^ה-20, שכן הוא סיפק ראיות ניסיוניות לכך שהאור עשוי מחלקיקים שאנו מכנים פוטונים וקוונטה של אנרגיית האור ביחס לתדר האור.

למעשה, האפקט הפוטואלקטרי שימש גם לייצור התקנים אופטואלקטרוניים שונים, כגון מתגים חשמליים רגישים לאור - שבהם חסימה או ביטול חסימה של קרן אור זורחת על מתכת מכבה או על זרם חשמלי בשל היעדר או נוכחות של פוטואלקטרון. זה נפוץ בחיישנים מכניים רבים (לדוגמה פתיחה או סגירה של דלת שפותחת חסימות או חוסמת קרן אור).