Фотоефект стосується того, що відбувається, коли з матеріалу, який поглинув електромагнітне випромінювання, випромінюються електрони. Фізик Альберт Ейнштейн першим повністю описав ефект і отримав Нобелівську премію за свою роботу.
Який фотоефект?
Світло з енергією вище певної точки може бути використане для вибивання електронів, що вільно, звільняючи їх від твердої металевої поверхні, повідомляє Scientific American. Кожна частинка світла, що називається фотоном, стикається з електроном і використовує частину своєї енергії для вимикання електрона. Решта енергії фотона переходить у вільний негативний заряд, який називається фотоелектроном.
Розуміння того, як це працює, революціонізувало сучасну фізику. Застосування фотоефекту принесло нам відкривачі дверей «електричне око», лічильники світла, які використовуються у фотографії, сонячні панелі та фотостатичне копіювання.
Відкриття
До Ейнштейна цей ефект спостерігали вчені, але їх збентежила поведінка, оскільки вони не повністю розуміли природу світла. Наприкінці 1800-х років фізики Джеймс Клерк Максвелл у Шотландії та Хендрік Лоренц у Нідерландах визначили, що, здається, світло поводиться як хвиля. Це було доведено, бачачи, як легкі хвилі демонструють перешкоди, дифракцію та розсіювання, які є загальними для всіляких хвиль (включаючи хвилі у воді.)
Отже аргумент Ейнштейна в 1905 р. Про те, що світло також може вести себе як набір частинок, був революційним, оскільки він не відповідав класичній теорії електромагнітного випромінювання. Інші вчені постулювали цю теорію перед ним, але Ейнштейн був першим, хто повністю розробив, чому саме це явище сталося - і його наслідки.
Наприклад, Генріх Герц з Німеччини був першим, хто побачив фотоелектричний ефект у 1887 р. Він виявив, що якщо він випромінює ультрафіолетове світло на металеві електроди, він знизить напругу, необхідне для того, щоб іскра рухалася за електродами, згідно з англійським астрономом Девід Дарлінг.
Потім у 1899 р. В Англії Дж. Дж. Томпсон продемонстрував, що ультрафіолетове світло, що потрапило в металеву поверхню, спричинило викидання електронів. Кількісний показник фотоефекту прийшов у 1902 р., Коли працював Філіп Ленард (колишній помічник Герца). Було зрозуміло, що світло має електричні властивості, але те, що відбувається, було незрозумілим.
За словами Ейнштейна, світло складається з маленьких пакетів, спочатку званих квантами, а пізніше фотонами. Як поводиться квант під фотоефектом, можна зрозуміти за допомогою продуманого експерименту. Уявіть, що в колодязі кружляє мармур, який був би схожим на приєднаний електрон до атома. Коли входить фотон, він потрапляє в мармур (або електрон), даючи йому достатньо енергії для виходу з криниці. Це пояснює поведінку легких металевих поверхонь.
У той час як Ейнштейн, тодішній молодий патентний канцеляр у Швейцарії, пояснював це явище в 1905 році, для його роботи пройшло ще 16 років, щоб Нобелівська премія була присуджена. Це сталося після того, як американський фізик Роберт Міллікан не лише перевірив роботу, але й виявив співвідношення між однією з констант Ейнштейна та постійною Планка. Остання константа описує, як поводяться частинки та хвилі в атомному світі.
Подальші ранні теоретичні дослідження щодо фотоефекту були виконані Артуром Комптоном у 1922 р. (Який показав, що рентгенівські промені також можна трактувати як фотони і отримали Нобелівську премію в 1927 р.), А також Ральф Говард Фоулер у 1931 р. (Хто дивився на залежність між температурою металу та фотоелектричними струмами.)
Програми
Хоча опис фотоефекту звучить досить теоретично, є багато практичних застосувань його роботи. Британіка описує декілька:
Фотоелектричні клітини спочатку використовувались для виявлення світла, використовуючи вакуумну трубку, що містить катод, для випромінювання електронів та анода для збору отриманого струму. Сьогодні ці "фототрубки" перейшли до фотодіодів на основі напівпровідників, які використовуються в таких додатках, як сонячні батареї та волоконно-оптичні телекомунікації.
Трубки фотопомножувача - це варіація фототрубки, але вони мають кілька металевих пластин, які називаються динодами. Електрони вивільняються після того, як світло вражає катоди. Тоді електрони потрапляють на перший динод, який вивільняє більше електронів, які потрапляють на другий динод, потім на третій, четвертий тощо. Кожен динод підсилює струм; приблизно через 10 динодів струм є досить сильним, щоб фотопомножувачі виявляли навіть поодинокі фотони. Приклади цього використовуються в спектроскопії (яка розбиває світло на різну довжину хвилі, щоб дізнатися більше про хімічні композиції зірки, наприклад), а також у комп’ютерному скануванні осьової томографії (CAT), що досліджує тіло.
Інші сфери застосування фотодіодів і фотоумножителей включають:
- технологія візуалізації, включаючи (старіші) трубки телевізійних камер або посилювачі зображення;
- вивчення ядерних процесів;
- хімічний аналіз матеріалів на основі їх випромінюваних електронів;
- даючи теоретичну інформацію про те, як електрони в атомах переходять між різними енергетичними станами.
Але, мабуть, найважливішим застосуванням фотоефекту було відключення квантового перевороту, за словами
Науковий американський. Це спонукало фізиків думати про природу світла та будову атомів абсолютно по-новому.
