Τι είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι το φαινόμενο της εκτόξευσης ηλεκτρονίων από την επιφάνεια ενός μετάλλου όταν το φως λάμπει πάνω του. Τα ηλεκτρόνια που παράγονται με αυτόν τον τρόπο ονομάζονται φωτοηλεκτρόνια.

Αυτό το φαινόμενο αποδίδεται στη μεταφορά ενέργειας από τα φωτόνια στα ηλεκτρόνια. Αν και μια τέτοια απελευθέρωση φωτοηλεκτρονίων μπορεί να παρατηρηθεί με ακτίνες φωτός σε οποιοδήποτε υλικό, είναι πιο εύκολα παρατηρήσιμη στα μέταλλα (και σε άλλους αγωγούς). Ο λόγος πίσω από αυτό είναι ότι το προσπίπτον φως εκτοξεύει ηλεκτρόνια από τη μεταλλική επιφάνεια, προκαλώντας ανισορροπία φορτίου.

Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο:Όταν το φως πέφτει σε μια μεταλλική επιφάνεια, τα ηλεκτρόνια πετούν από την τελευταία.

Αναφέρεται επίσης ως εκπομπή φωτογραφίας ή ιονισμός φωτογραφίας , μελετάται κυρίως στην ηλεκτρονική φυσική, μαζί με την ηλεκτροχημεία και την κβαντική χημεία.

Πώς οι φυσικοί του 19ου αιώνα απέτυχαν να εξηγήσουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιώντας την κλασική φυσική

Οι φυσικοί τον 19ο αιώνα προσπάθησαν να εξηγήσουν την εκπομπή ηλεκτρονίων από μια μεταλλική επιφάνεια χρησιμοποιώντας αρχές της κλασικής φυσικής. Για αρχή, η κλασική φυσική είναι ο κλάδος της φυσικής που δεν χρησιμοποιεί την κβαντομηχανική ή τη θεωρία της σχετικότητας, οι οποίες θεωρούνται πιο ολοκληρωμένες και επομένως ευρέως αποδεκτές.

Οι επιστήμονες της κλασικής φυσικής, που θεωρούσαν το φως κύμα, υπέθεσαν ότι το ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο του φωτός που χτυπά τη μεταλλική επιφάνεια θερμαίνει τα ηλεκτρόνια που υπάρχουν μέσα τους, τα οποία, με τη σειρά τους, αρχίζουν να δονούνται. Πίστευαν επίσης ότι η φωτεινότητα (ένταση) του φωτεινού κύματος ήταν ανάλογη με την ενέργειά του.

Χρησιμοποιώντας την κυματική θεωρία του φωτός, οι κλασικοί φυσικοί έκαναν αυτές τις τρεις προβλέψεις:

• Όσο μεγαλύτερη είναι η φωτεινότητα (ένταση) του προσπίπτοντος φωτός, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται από την επιφάνεια.
• Ένα φωτεινό κύμα οποιασδήποτε συχνότητας θα πρέπει να μπορεί να εκτινάξει ηλεκτρόνια, υπό την προϋπόθεση ότι διατηρείται μια λογική ένταση.
• Εάν το προσπίπτον φως είναι χαμηλής έντασης (υπερβολικά ασθενές), τότε η μεταλλική επιφάνεια πρέπει να είναι συνεχώς εκτεθειμένη για κάποιο χρονικό διάστημα μέχρι να χτυπήσουν αρκετά κύματα στην επιφάνεια για να εκτινάξουν τα ηλεκτρόνια.

(Φωτογραφία:ScienceABC)

Ωστόσο, όταν πραγματοποιήθηκαν πειράματα, οι προβλέψεις της κλασικής φυσικής αποδείχθηκαν λανθασμένες…

• Η ενέργεια των ηλεκτρονίων που έχουν διακοπεί δεν εξαρτάται από την ένταση του προσπίπτοντος φωτός.
• Τα ηλεκτρόνια δεν χτυπιούνται από την επιφάνεια εκτός εάν η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτεινού κύματος είναι μεγαλύτερη από μια κρίσιμη τιμή (συχνότητα κατωφλίου).
• Τα ηλεκτρόνια εμφανίζονται μόλις φως πέφτει στη μεταλλική επιφάνεια.

Επομένως, οι επιστήμονες της κλασικής φυσικής δεν μπορούσαν να εξηγήσουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιώντας την κυματική θεωρία του φωτός, όπου παρενέβη ο κ. Αϊνστάιν.

Ο Αϊνστάιν εξηγεί το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο

Το 1905, ο διαπρεπής φυσικός Άλμπερτ Αϊνστάιν δημοσίευσε μια εργασία (στο ίδιο τεύχος με τη διάσημη εργασία του για τη σχετικότητα) όπου παρουσίασε μια θεωρία για να εξηγήσει τις «απροσδόκητες» παρατηρήσεις σχετικά με το φως. Για να τον αναφέρω:

Σύμφωνα με την υπόθεση που πρέπει να εξεταστεί εδώ, η ενέργεια μιας ακτίνας φωτός που εξαπλώνεται από μια σημειακή πηγή δεν κατανέμεται συνεχώς σε έναν αυξανόμενο χώρο, αλλά αποτελείται από έναν πεπερασμένο αριθμό ενεργειακών κβαντών που εντοπίζονται σε σημεία του χώρου , που κινούνται χωρίς διαίρεση και που μπορούν να παραχθούν και να απορροφηθούν μόνο ως πλήρεις μονάδες.

Μικροσκοπικά πακέτα φωτός που ονομάζονται φωτόνια μεταφέρουν τις ενέργειές τους στα ηλεκτρόνια και τα καταστρέφουν

Με απλά λόγια, πρότεινε ότι σε πειράματα σχετικά με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, το φως δεν συμπεριφερόταν σαν κύμα, αλλά σαν σωματίδιο, το οποίο αναφερόμαστε ως «φωτόνιο». Η θεωρία του εξήγησε με επιτυχία τις παρατηρήσεις από τα πειράματα του φωτοηλεκτρικού φαινομένου με αυτόν τον τρόπο:

Η ενέργεια των ηλεκτρονίων που εκτινάσσονται από τη μεταλλική επιφάνεια δεν εξαρτάται από την ένταση του φωτός, επειδή ένα ηλεκτρόνιο απορροφά μόνο ένα φωτόνιο τη φορά. Εάν η ενέργεια του φωτονίου είναι αρκετά μεγάλη, τότε τα ηλεκτρόνια εκτινάσσονται από την επιφάνεια. Εάν όχι, τότε το ηλεκτρόνιο διαχέει την ενέργεια που πήρε από το φωτόνιο μέσω συγκρούσεων με γειτονικά ηλεκτρόνια και άτομα.

Συχνότητα κατωφλίου

Κανένα ηλεκτρόνιο δεν πετάει από την επιφάνεια εάν η συχνότητα του προσπίπτοντος φωτός είναι μικρότερη από μια κρίσιμη τιμή, η οποία είναι γνωστή ως συχνότητα κατωφλίου. Παρακάτω δίνεται ένα διάγραμμα για να το καταλάβετε καλύτερα:

Λεζάντα:Παρατηρήστε ότι δεν εκτοξεύονται ηλεκτρόνια όταν δεν επιτυγχάνεται η οριακή συχνότητα.

Σημειώστε ότι τα ηλεκτρόνια δεν εκτινάσσονται εκτός εάν η συχνότητα του φωτός υπερβαίνει τη συχνότητα κατωφλίου. Ωστόσο, για δύο διαφορετικές ακτίνες φωτός με συχνότητες υψηλότερες από τη συχνότητα κατωφλίου, οι ακτίνες φωτός με υψηλότερη ενέργεια απελευθερώνουν ηλεκτρόνια με υψηλότερη κινητική ενέργεια.

Ο Αϊνστάιν κέρδισε βραβείο Νόμπελ για αυτό!

Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1921 (Προστασία φωτογραφίας:Ferdinand Schmutzer / Wikipedia Commons)

Ίσως να μην το γνωρίζετε αυτό, αλλά ο Αϊνστάιν κέρδισε το Νόμπελ Φυσικής το 1921 όχι για τη θεωρία της σχετικότητας, αλλά για την επιτυχή εξήγηση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου χρησιμοποιώντας τη σωματιδιακή φύση του φωτός.

Εφαρμογές του φωτοηλεκτρικού εφέ

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έχει πολλές εφαρμογές, αλλά το πιο προφανές, αλλά και το μεγαλύτερο, παράδειγμα θα ήταν η χρήση του στην παραγωγή ηλιακής ενέργειας χρησιμοποιώντας φωτοβολταϊκά κύτταρα. Αυτές οι κυψέλες είναι κατασκευασμένες από ημιαγώγιμο υλικό που παράγει ηλεκτρισμό όταν εκτίθεται στον ήλιο.

Από κάτι τόσο συνηθισμένο όπως μια αριθμομηχανή (ηλιακή ενέργεια) έως μεγάλους τεχνητούς δορυφόρους που περιφέρονται γύρω από τον πλανήτη, υπάρχουν αμέτρητες εφαρμογές ηλιακής ενέργειας.

Μια αριθμομηχανή με ηλιακή ενέργεια (Φωτογραφία:Pixabay)

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο χρησιμοποιήθηκε επίσης στην τεχνολογία απεικόνισης (πιο συγκεκριμένα, σε σωλήνες βιντεοκάμερας - ένας τύπος καθοδικού σωλήνα που χρησιμοποιείται για τη λήψη της τηλεοπτικής εικόνας) στις πρώτες μέρες της τηλεόρασης. Εκτός από αυτό, χρησιμοποιείται στη χημική ανάλυση υλικών με βάση τα ηλεκτρόνια που εκπέμπουν, επιτρέποντας τη μελέτη ηλεκτρονικών μεταβάσεων μεταξύ ενεργειακών καταστάσεων και ορισμένων πυρηνικών διεργασιών.

Μια ανεπιθύμητη επίδραση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου στο διαστημόπλοιο

Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο μπορεί να οδηγήσει στη συσσώρευση ενός καθαρού θετικού φορτίου στο εξωτερικό ενός διαστημόπλοιου, καθώς η παρατεταμένη έκθεσή του στο ηλιακό φως οδηγεί σε συνεχή εκπομπή ηλεκτρονίων από τη μεταλλική του επιφάνεια. Επομένως, η ηλιόλουστη πλευρά ενός διαστημικού σκάφους αναπτύσσει θετικό φορτίο, ενώ η πλευρά στη σκιά αναπτύσσει ένα σχετικό αρνητικό φορτίο.

Αυτή η συσσώρευση φορτίου στην επιφάνεια του διαστημόπλοιου προκαλεί τη ροή ηλεκτρικών ρευμάτων, κάτι που δεν είναι καλό, ειδικά όταν έχετε ευαίσθητα κυκλώματα και μηχανήματα που λειτουργούν μέσα στο πλοίο.

Ο ISS δεν φιλοξενεί μόνο αστροναύτες και φυτά, αλλά και ένα σωρό πολύπλοκα και ευαίσθητα μηχανήματα. (Φωτογραφία:NASA)

Επομένως, τα ηλεκτρικά συστήματα στα διαστημόπλοια αποτελούνται από πολλούς αγωγούς που εμποδίζουν μια τέτοια συσσώρευση καθαρού φορτίου στην επιφάνειά τους.