Фотоэлектрический эффект относится к тому, что происходит, когда электроны испускаются из материала, который поглотил электромагнитное излучение. Физик Альберт Эйнштейн был первым, кто полностью описал эффект, и получил Нобелевскую премию за свою работу.
Что такое фотоэлектрический эффект?
Свет с энергией выше определенной точки может использоваться, чтобы выбить электроны, освобождая их от твердой металлической поверхности, согласно Scientific American. Каждая частица света, называемая фотоном, сталкивается с электроном и использует часть своей энергии, чтобы выбить электрон. Остальная энергия фотона переходит к свободному отрицательному заряду, называемому фотоэлектроном.
Понимание того, как это работает, произвело революцию в современной физике. Применение фотоэлектрического эффекта принесло нам «электрические глазки» для открывания дверей, экспонометры, используемые в фотографии, солнечные панели и фотостатическое копирование.
Открытие
До Эйнштейна ученые наблюдали этот эффект, но поведение их смущало, потому что они не полностью понимали природу света. В конце 1800-х годов физики Джеймс Клерк Максвелл в Шотландии и Хендрик Лоренц в Нидерландах определили, что свет, похоже, ведет себя как волна. Это было доказано тем, что световые волны демонстрируют интерференцию, дифракцию и рассеяние, которые являются общими для всех видов волн (включая волны в воде).
Поэтому аргумент Эйнштейна в 1905 году о том, что свет может вести себя как набор частиц, был революционным, потому что он не соответствовал классической теории электромагнитного излучения. Другие ученые постулировали теорию до него, но Эйнштейн был первым, кто полностью объяснил, почему явление произошло - и последствия.
Например, Генрих Герц из Германии был первым человеком, который увидел фотоэлектрический эффект в 1887 году. Он обнаружил, что если он направляет ультрафиолетовый свет на металлические электроды, он понижает напряжение, необходимое для того, чтобы искра двигалась за электродами, согласно английскому астроному. Дэвид Дарлинг.
Затем в 1899 году в Англии J.J. Томпсон продемонстрировал, что ультрафиолетовое излучение, поражающее металлическую поверхность, вызывает выброс электронов. Количественная мера фотоэффекта появилась в 1902 году благодаря работе Филиппа Ленарда (бывшего ассистента Герца). Было ясно, что свет обладает электрическими свойствами, но что происходило, было неясно.
Согласно Эйнштейну, свет состоит из маленьких пакетов, которые сначала называются квантами, а затем фотонами. Как ведут себя кванты под фотоэлектрическим эффектом, можно понять с помощью мысленного эксперимента. Представьте себе мраморный кружок в колодце, который был бы похож на связанный электрон с атомом. Когда приходит фотон, он попадает в мрамор (или электрон), давая ему достаточно энергии, чтобы вырваться из колодца. Это объясняет поведение легких ударов металлических поверхностей.
В то время как Эйнштейн, в то время молодой швейцарский клерк, объяснил это явление в 1905 году, понадобилось еще 16 лет, чтобы Нобелевская премия была присуждена за его работу. Это произошло после того, как американский физик Роберт Милликен не только проверил работу, но и обнаружил связь между одной из констант Эйнштейна и постоянной Планка. Последняя константа описывает, как частицы и волны ведут себя в атомном мире.
Дальнейшие теоретические исследования фотоэффекта были проведены Артуром Комптоном в 1922 году (который показал, что рентгеновские лучи также можно рассматривать как фотоны, и получил Нобелевскую премию в 1927 году), а также Ральфом Говардом Фаулером в 1931 году (который посмотрел на взаимосвязь между температурой металла и фотоэлектрическими токами.)
Приложения
Хотя описание фотоэлектрического эффекта звучит в высшей степени теоретически, существует множество практических применений его работы. Британика описывает несколько:
Фотоэлементы первоначально использовались для обнаружения света с использованием вакуумной трубки, содержащей катод, для испускания электронов и анод для сбора результирующего тока. Сегодня эти «фототрубки» продвинулись к фотодиодам на основе полупроводников, которые используются в таких приложениях, как солнечные элементы и оптоволоконные телекоммуникации.
Фотоумножители представляют собой разновидность фототрубки, но имеют несколько металлических пластин, называемых динодами. Электроны высвобождаются после попадания света на катоды Затем электроны падают на первый динод, который высвобождает больше электронов, которые падают на второй динод, затем на третий, четвертый и т. Д. Каждый динод усиливает ток; примерно через 10 динодов ток достаточно силен, чтобы фотоумножители могли обнаружить даже одиночные фотоны. Примеры этого используются в спектроскопии (которая разбивает свет на различные длины волн, например, чтобы узнать больше о химическом составе звезды) и в компьютерной томографии (CAT), которая исследует тело.
Другие применения фотодиодов и фотоумножителей включают в себя:
- технологии визуализации, включая (старые) трубки телевизионных камер или усилители изображения;
- изучение ядерных процессов;
- химический анализ материалов на основе их испущенных электронов;
- дать теоретическую информацию о том, как электроны в атомах переходят между различными энергетическими состояниями.
Но, возможно, самым важным применением фотоэлектрического эффекта было начало квантовой революции, согласно
Ученый американец. Это привело физиков к совершенно новому взгляду на природу света и структуру атомов.
