Den fotoelektriska effekten avser vad som händer när elektroner släpps ut från ett material som har absorberat elektromagnetisk strålning. Fysikern Albert Einstein var den första som beskrev effekten fullt ut och fick ett Nobelpris för sitt arbete.
Vad är den fotoelektriska effekten?
Ljus med energi över en viss punkt kan användas för att släppa elektroner och frigöra dem från en fast metallyta, enligt Scientific American. Varje ljuspartikel, kallad en foton, kolliderar med en elektron och använder lite av sin energi för att lossa elektronen. Resten av fotonens energi överförs till den gratis negativa laddningen, kallad en fotoelektron.
Att förstå hur detta fungerar revolutionerade modern fysik. Tillämpningar av den fotoelektriska effekten gav oss "elektriska ögon" dörröppnare, ljusmätare som används i fotografering, solpaneler och fotostatisk kopiering.
Upptäckt
Innan Einstein hade forskarna observerat effekten, men de var förvirrade av beteendet eftersom de inte helt förstod ljusets natur. I slutet av 1800-talet bestämde fysikerna James Clerk Maxwell i Skottland och Hendrik Lorentz i Nederländerna att ljus verkar bete sig som en våg. Detta bevisades genom att se hur ljusvågor visar interferens, diffraktion och spridning, som är gemensamma för alla slags vågor (inklusive vågor i vatten.)
Så Einsteins argument 1905 att ljus också kan bete sig som uppsättningar av partiklar var revolutionerande eftersom det inte passade med den klassiska teorin om elektromagnetisk strålning. Andra forskare hade postulerat teorin före honom, men Einstein var den första som helt utarbetade varför fenomenet inträffade - och konsekvenserna.
Till exempel var Heinrich Hertz i Tyskland den första personen som såg den fotoelektriska effekten, 1887. Han upptäckte att om han lyste ultraviolett ljus på metallelektroder, sänkte han den spänning som behövdes för att få en gnista att röra sig bakom elektroderna, enligt den engelska astronomen David Darling.
Sedan 1899, i England, J.J. Thompson demonstrerade att ultraviolett ljus som träffade en metallyta orsakade utsläpp av elektroner. Ett kvantitativt mått på den fotoelektriska effekten kom 1902, med arbete av Philipp Lenard (en före detta assistent för Hertz.) Det var uppenbart att ljus hade elektriska egenskaper, men vad som hände var oklart.
Enligt Einstein består ljus av små paket, först kallade kvanta och senare fotoner. Hur kvanta beter sig under den fotoelektriska effekten kan förstås genom ett tankeexperiment. Föreställ dig en marmor som cirklar i en brunn, som skulle vara som en bunden elektron till en atom. När en foton kommer in, träffar den marmorn (eller elektron), vilket ger den tillräckligt med energi för att fly från brunnen. Detta förklarar beteendet hos lätt slående metallytor.
Medan Einstein, då en ung patentansvarig i Schweiz, förklarade fenomenet 1905, tog det ytterligare 16 år innan Nobelpriset tilldelades för hans arbete. Detta kom efter att den amerikanska fysikern Robert Millikan inte bara verifierade arbetet utan också hittade en relation mellan en av Einsteins konstanter och Plancks konstant. Den senare konstanten beskriver hur partiklar och vågor beter sig i atomvärlden.
Ytterligare tidiga teoretiska studier om den fotoelektriska effekten utfördes av Arthur Compton 1922 (som visade att röntgenstrålar också kunde behandlas som fotoner och fick Nobelpriset 1927), samt Ralph Howard Fowler 1931 (som tittade på förhållandet mellan metalltemperaturer och fotoelektriska strömmar.)
Tillämpningar
Medan beskrivningen av den fotoelektriska effekten låter mycket teoretiskt finns det många praktiska tillämpningar av dess arbete. Britannica beskriver några:
Fotoelektriska celler användes ursprungligen för att detektera ljus, med hjälp av ett vakuumrör innehållande en katod, för att avge elektroner och en anod för att samla den resulterande strömmen. Idag har dessa "fotorör" avancerat till halvledarbaserade fotodioder som används i applikationer som solceller och fiberoptik telekommunikation.
Fotomultiplikatorrör är en variation av fototuben, men de har flera metallplattor som kallas dynoder. Elektroner släpps efter att ljuset slog katoderna. Elektronerna faller sedan på den första dynoden, som frigör fler elektroner som faller på den andra dynoden, sedan vidare till den tredje, fjärde osv. Varje dynode förstärker strömmen; efter cirka 10 dynoder är strömmen tillräckligt stark för att fotomultiplikatorerna kan upptäcka även enstaka fotoner. Exempel på detta används i spektroskopi (som bryter isär ljus i olika våglängder för att lära sig mer om de kemiska kompositionerna till exempelvis stjärna), och datoriserad axiell tomografi (CAT) -skanningar som undersöker kroppen.
Andra tillämpningar av fotodioder och fotomultiplikatorer inkluderar:
- bildteknik, inklusive (äldre) tv-kamerarör eller bildförstärkare;
- studera kärnkraftsprocesser;
- kemiskt analysera material baserat på deras utsända elektroner;
- ge teoretisk information om hur elektroner i atomer övergår mellan olika energitillstånd.
Men kanske den viktigaste tillämpningen av den fotoelektriska effekten var att sätta igång kvantrevolutionen, enligt
Scientific American. Det fick fysiker att tänka på ljusets natur och atomernas struktur på ett helt nytt sätt.
