Fotoelektrický jev
19. stoletíUpravit
V roce 1839 objevil Alexandre Edmond Becquerel při studiu vlivu světla na elektrolytické články fotovoltaický jev. Ačkoli jeho práce o fotovoltaice není ekvivalentní fotoelektrickému jevu, byla zásadní pro prokázání silného vztahu mezi světlem a elektronickými vlastnostmi materiálů. V roce 1873 Willoughby Smith objevil fotovodivost selenu při testování kovu pro jeho vysoké odporové vlastnosti v souvislosti se svou prací týkající se podmořských telegrafních kabelů.
Johann Elster (1854-1920) a Hans Geitel (1855-1923), studenti v Heidelbergu, zkoumali účinky vyvolané světlem na zelektrovaných tělesech a vyvinuli první praktické fotoelektrické články, které bylo možné použít k měření intenzity světla.:458 Seřadili kovy podle jejich schopnosti vybíjet zápornou elektřinu: rubidium, draslík, slitina draslíku a sodíku, sodík, lithium, hořčík, thallium a zinek; u mědi, platiny, olova, železa, kadmia, uhlíku a rtuti byly účinky při běžném světle příliš malé, než aby je bylo možné změřit. Pořadí kovů pro tento efekt bylo stejné jako ve Voltově řadě pro kontaktní elektřinu, přičemž nejvíce elektropozitivní kovy dávaly největší fotoelektrický efekt.
V roce 1887 Heinrich Hertz pozoroval fotoelektrický jev a podal zprávu o vzniku a příjmu elektromagnetických vln. Přijímač v jeho přístroji se skládal z cívky s jiskřištěm, kde by se při detekci elektromagnetických vln objevila jiskra. Přístroj umístil do zatemněné krabice, aby jiskru lépe viděl. Všiml si však, že uvnitř krabice se maximální délka jiskry zmenšila. Skleněná deska umístěná mezi zdrojem elektromagnetických vln a přijímačem pohlcovala ultrafialové záření, které napomáhalo elektronům v přeskoku přes mezeru. Po jeho odstranění se délka jiskry zvětšila. Když nahradil sklo křemenem, nepozoroval žádné snížení délky jiskry, protože křemen neabsorbuje ultrafialové záření.
Hertzovy objevy vedly k řadě výzkumů Hallwachse, Hoora, Righiho a Stoletova o vlivu světla, a zejména ultrafialového záření, na nabitá tělesa. Hallwachs připojil zinkovou destičku k elektroskopu. Nechal dopadat ultrafialové světlo na čerstvě vyčištěnou zinkovou desku a pozoroval, že zinková deska se nenabíjí, je-li původně záporně nabitá, nabíjí se kladně, je-li původně nenabitá, a více se nabíjí kladně, je-li původně nabitá kladně. Z těchto pozorování vyvodil závěr, že zinková deska při vystavení ultrafialovému světlu emituje určité záporně nabité částice.
S ohledem na Hertzův jev vědci od počátku ukazovali složitost jevu fotoelektrické únavy – postupného snižování účinku pozorovaného na čerstvých kovových površích. Podle Hallwachse hrál v tomto jevu důležitou roli ozón a emise byla ovlivněna oxidací, vlhkostí a stupněm leštění povrchu. V té době nebylo jasné, zda únava chybí ve vakuu.
V letech 1888 až 1891 provedl podrobnou analýzu fotoefektu Alexandr Stoletov s výsledky uvedenými v šesti publikacích. Stoletov vynalezl nové experimentální uspořádání, které bylo vhodnější pro kvantitativní analýzu fotoefektu. Objevil přímou úměrnost mezi intenzitou světla a indukovaným fotoelektrickým proudem (první zákon fotoefektu neboli Stoletovův zákon). Měřil závislost intenzity fotoelektrického proudu na tlaku plynu, přičemž zjistil existenci optimálního tlaku plynu odpovídajícího maximálnímu fotoproudu; této vlastnosti využil při tvorbě solárních článků.
Mnoho látek kromě kovů vybíjí působením ultrafialového světla zápornou elektřinu. G. C. Schmidt a O. Knoblauch sestavili seznam těchto látek.
V roce 1899 zkoumal J. J. Thomson ultrafialové světlo v Crookesových trubicích. Thomson odvodil, že vyvržené částice, které nazval corpuscles, mají stejnou povahu jako katodové paprsky. Tyto částice se později začaly nazývat elektrony. Thomson uzavřel kovovou desku (katodu) do vakuové trubice a vystavil ji vysokofrekvenčnímu záření. Domníval se, že oscilující elektromagnetické pole způsobuje rezonanci pole atomů a po dosažení určité amplitudy způsobuje vyzařování subatomárních tělísek a detekci proudu. Velikost tohoto proudu se měnila podle intenzity a barvy záření. Větší intenzita nebo frekvence záření by vyvolala větší proud.
V letech 1886-1902 Wilhelm Hallwachs a Philipp Lenard podrobně zkoumali jev fotoelektrické emise. Lenard pozoroval, že evakuovanou skleněnou trubicí uzavírající dvě elektrody protéká proud, když na jednu z nich dopadá ultrafialové záření. Jakmile se ultrafialové záření zastaví, zastaví se i proud. Tím byl zahájen koncept fotoelektrické emise. Objev ionizace plynů ultrafialovým světlem učinil Philipp Lenard v roce 1900. Vzhledem k tomu, že tento jev vznikal v několika centimetrech vzduchu a dával větší množství kladných iontů než záporných, bylo přirozené interpretovat tento jev, jak to udělal J. J. Thomson, jako Hertzův jev na částice přítomné v plynu.
20. stoletíEdit
V roce 1902 Lenard pozoroval, že energie jednotlivých emitovaných elektronů roste s frekvencí (která souvisí s barvou) světla. To se zdálo být v rozporu s Maxwellovou vlnovou teorií světla, která předpovídala, že energie elektronů bude úměrná intenzitě záření.
Lenard pozoroval změny energie elektronů s frekvencí světla pomocí silné elektrické obloukové lampy, která mu umožnila zkoumat velké změny intenzity a která měla dostatečný výkon, aby mu umožnila zkoumat změny potenciálu elektrody s frekvencí světla. Energii elektronů zjistil tak, že ji vztáhl k maximálnímu brzdnému potenciálu (napětí) ve fototrubičce. Zjistil, že maximální kinetická energie elektronů je určena frekvencí světla. Například zvýšení frekvence má za následek zvýšení maximální kinetické energie vypočítané pro elektron při uvolnění – ultrafialové záření by vyžadovalo vyšší použitý zastavovací potenciál k zastavení proudu ve fototrubičce než modré světlo. Lenardovy výsledky však byly spíše kvalitativní než kvantitativní, protože provádění pokusů bylo obtížné: pokusy bylo třeba provádět na čerstvě rozřezaném kovu, aby bylo možné pozorovat čistý kov, který však oxidoval během několika minut i v částečném vakuu, které používal. Proud emitovaný povrchem byl určen intenzitou světla neboli jasem: zdvojnásobení intenzity světla zdvojnásobilo počet elektronů emitovaných z povrchu.
Výzkumy Langevina a Eugena Blocha ukázaly, že větší část Lenardova jevu je jistě způsobena Hertzovým jevem. Lenardův efekt na samotný plyn nicméně existuje. Znovuobjevený J. J. Thomsonem a poté ještě rozhodněji Fredericem Palmerem mladším byl studován fotoemise plynu a vykazoval zcela jiné vlastnosti, než jaké mu zpočátku přisuzoval Lenard.
V roce 1900 při studiu záření černého tělesa navrhl německý fyzik Max Planck ve svém článku „O zákonu rozložení energie v normálním spektru“, že energie nesená elektromagnetickými vlnami může být uvolňována pouze v balících energie. V roce 1905 publikoval Albert Einstein článek, v němž prosazoval hypotézu, že světelná energie je přenášena v diskrétních kvantovaných paketech, aby vysvětlil experimentální data z fotoelektrického jevu. Einstein vyslovil teorii, že energie v každém kvantu světla se rovná frekvenci světla vynásobené konstantou, později nazvanou Planckova konstanta. Foton nad prahovou frekvencí má energii potřebnou k vymrštění jednoho elektronu, čímž vzniká pozorovaný jev. To byl klíčový krok ve vývoji kvantové mechaniky. V roce 1914 Millikanův experiment podpořil Einsteinův model fotoelektrického jevu. Einsteinovi byla v roce 1921 udělena Nobelova cena za fyziku za „objev zákona fotoelektrického jevu“ a Robertu Millikanovi byla v roce 1923 udělena Nobelova cena za „práci o elementárním elektrickém náboji a fotoelektrickém jevu“. V kvantové teorii poruch atomů a pevných látek, na které působí elektromagnetické záření, se fotoelektrický jev stále běžně analyzuje v termínech vln; oba přístupy jsou ekvivalentní, protože k absorpci fotonu nebo vlny může dojít pouze mezi kvantovanými energetickými hladinami, jejichž energetický rozdíl je roven energii fotonu.
Albert Einstein matematicky popsal, jak fotoelektrický jev vzniká absorpcí kvant světla, v jednom ze svých článků Annus Mirabilis, nazvaném „O heuristickém pohledu na vznik a přeměnu světla“. V článku navrhl jednoduchý popis světelných kvant neboli fotonů a ukázal, jak vysvětlují takové jevy, jako je fotoelektrický jev. Jeho jednoduché vysvětlení v podobě absorpce diskrétních kvant světla souhlasilo s experimentálními výsledky. Vysvětlovalo, proč energie fotoelektronů závisí pouze na frekvenci dopadajícího světla, a nikoli na jeho intenzitě: při nízké intenzitě může vysokofrekvenční zdroj dodat několik vysokoenergetických fotonů, zatímco při vysoké intenzitě by nízkofrekvenční zdroj nedodal žádné fotony s dostatečnou individuální energií, které by vytlačily nějaké elektrony. To byl obrovský teoretický skok, ale tento koncept byl zpočátku silně odmítán, protože byl v rozporu s vlnovou teorií světla, která přirozeně vyplývala z rovnic elektromagnetismu Jamese Clerka Maxwella, a obecněji s předpokladem nekonečné dělitelnosti energie ve fyzikálních systémech. I poté, co experimenty ukázaly, že Einsteinovy rovnice pro fotoelektrický jev jsou přesné, odpor vůči myšlence fotonů přetrvával.
Einsteinova práce předpovídala, že energie jednotlivých vyvržených elektronů lineárně roste s frekvencí světla. Možná je překvapivé, že přesný vztah nebyl v té době ověřen. Do roku 1905 bylo známo, že energie fotoelektronů roste s rostoucí frekvencí dopadajícího světla a nezávisí na jeho intenzitě. Způsob tohoto nárůstu však byl experimentálně určen až v roce 1914, kdy Robert Andrews Millikan ukázal, že Einsteinova předpověď je správná.
Fotoelektrický jev pomohl prosadit tehdy vznikající koncept duality vlny a částice v povaze světla. Světlo má současně vlastnosti vlnění i částic, přičemž každá z nich se projevuje podle okolností. Tento jev nebylo možné pochopit z hlediska klasického vlnového popisu světla, protože energie emitovaných elektronů nezávisela na intenzitě dopadajícího záření. Klasická teorie předpovídala, že elektrony budou po určitou dobu „sbírat“ energii a poté budou emitovány.