Efectul fotoelectric se referă la ceea ce se întâmplă atunci când electronii sunt emisiți dintr-un material care a absorbit radiațiile electromagnetice. Fizicianul Albert Einstein a fost primul care a descris efectul pe deplin și a primit un premiu Nobel pentru munca sa.
Care este efectul fotoelectric?
Lumina cu energie peste un anumit punct poate fi folosită pentru a bate electronii liberi, eliberându-i de o suprafață metalică solidă, conform Scientific American. Fiecare particulă de lumină, numită foton, se ciocnește cu un electron și folosește o parte din energia sa pentru a disloca electronul. Restul energiei fotonului se transferă la încărcarea negativă gratuită, numită fotoelectron.
Înțelegerea modului în care acest lucru a revoluționat fizica modernă. Aplicațiile efectului fotoelectric ne-au adus deschizătoarele de uși „cu ochi electric”, contoare de lumină utilizate în fotografie, panouri solare și copiere fotostatice.
Descoperire
Înainte de Einstein, efectul a fost observat de oamenii de știință, dar au fost confuzați de comportament, deoarece nu înțelegeau în totalitate natura luminii. La sfârșitul anilor 1800, fizicienii James Clerk Maxwell în Scoția și Hendrik Lorentz în Olanda au stabilit că lumina pare să se comporte ca un val. Acest lucru a fost dovedit prin a vedea modul în care undele de lumină demonstrează interferență, difracție și împrăștiere, care sunt comune pentru tot felul de unde (inclusiv undele din apă).
Așadar, argumentul lui Einstein din 1905 potrivit căruia lumina se poate comporta ca seturi de particule a fost revoluționară, deoarece nu se potrivea cu teoria clasică a radiațiilor electromagnetice. Alți oameni de știință au postulat teoria înaintea lui, dar Einstein a fost primul care a elaborat pe deplin motivul pentru care s-a produs fenomenul - și implicațiile.
De exemplu, Heinrich Hertz din Germania a fost prima persoană care a văzut efectul fotoelectric, în 1887. El a descoperit că dacă arunca lumina ultravioletă pe electrozii metalici, a coborât tensiunea necesară pentru a face o scânteie să se miște în spatele electrozilor, potrivit astronomului englez David Darling.
Apoi, în 1899, în Anglia, J.J. Thompson a demonstrat că lumina ultravioletă care lovește o suprafață metalică a provocat ejectarea electronilor. O măsură cantitativă a efectului fotoelectric a venit în 1902, cu munca lui Philipp Lenard (fost asistent la Hertz.) Era clar că lumina are proprietăți electrice, dar ceea ce se întâmpla nu era clar.
Potrivit lui Einstein, lumina este formată din pachete mici, la început numite quanta și mai târziu fotoni. Modul în care se comportă quanta sub efectul fotoelectric poate fi înțeles printr-un experiment gândit. Imaginează-ți o marmură care înconjoară într-un puț, care ar fi ca un electron legat la un atom. Când intră un foton, lovește marmura (sau electronul), oferindu-i suficientă energie pentru a scăpa din puț. Aceasta explică comportamentul suprafețelor metalice care se lovesc de lumină.
În timp ce Einstein, pe atunci un tânăr funcționar în Elveția, a explicat fenomenul din 1905, a fost nevoie de încă 16 ani pentru ca Premiul Nobel să fie acordat pentru munca sa. Aceasta a apărut după ce fizicianul american Robert Millikan nu numai că a verificat lucrarea, dar a găsit și o relație între una dintre constantele lui Einstein și constanta lui Planck. Cea din urmă constantă descrie modul în care se comportă particulele și undele în lumea atomică.
Alte studii teoretice timpurii asupra efectului fotoelectric au fost efectuate de Arthur Compton în 1922 (care a arătat că razele X ar putea fi, de asemenea, tratate ca fotoni și a câștigat premiul Nobel în 1927), precum și Ralph Howard Fowler în 1931 (care s-a uitat la relația dintre temperaturile metalului și curenții fotoelectrici.)
Aplicații
În timp ce descrierea efectului fotoelectric sună extrem de teoretic, există multe aplicații practice ale lucrării sale. Britannica descrie câteva:
Celulele fotoelectrice au fost inițial folosite pentru a detecta lumina, folosind un tub de vid care conține un catod, pentru a emite electroni și un anod, pentru a aduna curentul rezultat. Astăzi, aceste "fototuburi" au avansat la fotodioduri bazate pe semiconductor, care sunt utilizate în aplicații precum celulele solare și telecomunicațiile cu fibră optică.
Tuburile fotomultiplicatoare sunt o variație a fototubului, dar au mai multe plăci metalice numite dinode. Electronii sunt eliberați după ce lumina lovește catodii. Electronii cad apoi pe primul dinod, care eliberează mai mulți electroni care cad pe al doilea dinod, apoi pe al treilea, al patrulea și așa mai departe. Fiecare dinod amplifică curentul; după aproximativ 10 dinodiști, curentul este suficient de puternic pentru ca fotomultiplicatorii să detecteze chiar și fotoni singulari. Exemple în acest sens sunt utilizate în spectroscopie (care desparte lumina în diferite lungimi de undă pentru a afla mai multe despre compozițiile chimice ale stelei, de exemplu) și scanările computerizate tomografice axiale (CAT) care examinează corpul.
Alte aplicații ale fotodiodelor și fotomultiplicatoarelor includ:
- tehnologie imagistică, inclusiv tuburi (mai vechi) de camere de televiziune sau intensificatoare de imagine;
- studierea proceselor nucleare;
- analiza chimică a materialelor pe baza electronilor emiți;
- oferind informații teoretice despre modul în care electronii din tranziția atomilor între diferite stări energetice.
Dar poate cea mai importantă aplicare a efectului fotoelectric a fost oprirea revoluției cuantice, conform
Științific american. I-a determinat pe fizicieni să se gândească la natura luminii și la structura atomilor într-un mod cu totul nou.
