האפקט הפוטואלקטרי

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

האפקט הפוטואלקטרי - קרינה אלקטרומגנטית שבאה משמאל גורמת לפליטת אלקטרונים לימין ממשטח מתכת

האפקט הפוטואלקטרי – אפקט פיזיקלי בו נפלטים אלקטרונים מפני מתכת כאשר פוגעת בה קרינה אלקטרומגנטית.

לאפקט הייתה חשיבות רבה בהתפתחות הפיזיקה המודרנית וגיבוש תורת הקוונטים, בהבנת האופי החלקיקי של האור, ובגיבוש מושג הפוטון.

ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לאפקט זה בשנת 1905 זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.

[עריכה] גילוי האפקט

בשנת 1887 גילה היינריך הרץ כי כאשר מקרינים מתכת באור אולטרא-סגול, האוויר שמסביבה נטען במטען שלילי. תופעה זו התגלתה במסגרת מחקר על התפרקות חשמלית בין לוחות מוליכים, במהלכו הבחין הרץ שהקרנת המתכת באור אולטרא-סגול גורמת להגדלת ההתפרקות החשמלית.

בהמשך השתמשו חוקרים ובראשם פיליפ לנארד וג'וזף ג'ון תומסון בשפופרת הקתודית על מנת לחקור את האפקט הפוטואלקטרי. הם גילו כי:

מספר האלקטרונים הנפלטים מהמתכת תלוי בעוצמת האור, אך לא כן מהירותם.
מהירות האלקטרונים הנפלטים גדלה עם תדירות האור הפוגע.
עבור כל מתכת קיימת תדירות סף, אשר אור בעל תדירות נמוכה יותר לא יגרום לפליטת אלקטרונים ממנה.

גילויים אלה לא היה ניתן להסביר באמצעות התאוריה הגלית של האור, הנובעת ממשוואות מקסוול. בנוסף, העובדה כי הפליטה ארעה באופן מיידי לא התיישבה עם החשבונות התיאורטיים שהראו שבקצב העברת האנרגיה על ידי הגל האלקטרומגנטי יעבור זמן רב עד שהאלקטרונים יירכשו את האנרגיה הדרושה להם על מנת להיפלט מהמתכת.

[עריכה] ההסבר של איינשטיין

את ההסבר לתופעות אלה נתן בשנת 1905 אלברט איינשטיין. הוא השתמש בהנחה אותה הציע מקס פלאנק בשנת 1900 על מנת להסביר את אופי הקרינה של גוף שחור, על פיה האור מגיע במנות מסוימות של אנרגיה, כאשר האנרגיה של כל מנה כזו (קוואנט) פרופורציונאלית לתדירות $\ f$ של האור:

$\ E_{ph}=h f$

(כאשר $\ h$ מסמן את קבוע פלאנק)

איינשטיין לקח רעיון זה צעד אחד קדימה, והציע שמדובר ביותר מאשר כמויות אנרגיה, ושבכל הנוגע לאפקט הפוטואלקטרי יש להסתכל על האור כעל אוסף חלקיקים (פוטונים), אשר לכל אחד מהם אנרגיה, כאמור בהנחה של פלאנק. השערה זו מניחה שבעת פגיעת פוטון במתכת, נעלם הפוטון ומועברת כל האנרגיה שלו לאחד האלקטרונים במתכת. האנרגיה הדרושה עבור האלקטרון על מנת להיפלט מהמתכת משתנה מאלקטרון אחד לשני, אולם עבור כל מתכת קיימת אנרגיה מינימלית הקרויה "פונקציית העבודה" $\ W$ . לכן, אלקטרונים יכולים להיפלט מהמתכת רק כאשר האנרגיה של כל פוטון גדולה מפונקציית העבודה. במקרה כזה, שארית האנרגיה הופכת לאנרגיה הקינטית של האלקטרון:

$\ E_{k}\leq h f - W$

בעזרת התאוריה הזו הוסברו כל הקשיים שלא היו ניתנים להסבר על ידי הסתכלות על האור כעל גל בלבד:

הגדלת עוצמת האור משנה רק את מספר הפוטונים, אך לא את האנרגיה של כל אחד מהם. לכן היא מגדילה את מספר האלקטרונים הנפלטים, אבל לא משפיעה על האנרגיה הקינטית של כל אחד מהם.
כאשר תדירות האור גדלה, האנרגיה של כל אחד מהפוטונים גדלה גם היא, ולכן גדלה האנרגיה הקינטית של האלקטרון הנפלט.
כאשר $\ hf < W$ , אין לפוטון אנרגיה מספיקה להוצאת אלקטרון מהמתכת. זה המקור לתדירות הסף שנמצאה עבור המתכת.
קצב הפליטה נקבע על ידי האינטראקציה של הפוטון עם האלקטרון. למרות שהקצב הממוצע של מעבר האנרגיה למתכת מאוד נמוך, האנרגיה אינה מתחלקת בין כל האלקטרונים, אלא מוענקת רק לחלק קטן מהם, אלה בהם פוגעים הפוטונים.

רוברט מיליקן מדד בשנת 1914 את ערכו של קבוע פלנק בעזרת האפקט הפוטואלקטרי, ובכך הראה את נכונות התאוריה של איינשטיין.

[עריכה] שימושים בחיי היום-יום

האפקט הפוטואלקטרי נמצא בשימוש נרחב. היישום העיקרי שלו הוא בתאים פוטואלקטריים המשמשים במגוון רחב של מערכות פיקוד ובקרה, מערכות אלקטרוניות, לייזרים ועוד.

כמו כן, נמצא האפקט הפוטואלקטרי בשימוש ברוב המעליות, שם משוגרת קרן אור לאורך הכניסה למעלית אל תא פוטואלקטרי. כאשר גוף חוסם את מעבר קרן האור, הזרם שיוצר התא הפוטואלקטרי נפסק, והמערכת הקשורה אליו מונעת מהדלת להיסגר.