Foto-elektrisch effect
19e eeuwEdit
In 1839 ontdekte Alexandre Edmond Becquerel het fotovoltaïsch effect terwijl hij het effect van licht op elektrolytische cellen bestudeerde. Hoewel niet gelijkwaardig aan het foto-elektrisch effect, was zijn werk op het gebied van de fotovoltaïsche technologie van groot belang bij het aantonen van een sterk verband tussen licht en elektronische eigenschappen van materialen. In 1873 ontdekte Willoughby Smith fotogeleidbaarheid in selenium toen hij het metaal testte op zijn hoge weerstandseigenschappen in verband met zijn werk met onderzeese telegraafkabels.
Johann Elster (1854-1920) en Hans Geitel (1855-1923), studenten in Heidelberg, onderzochten de effecten van licht op geëlektriseerde lichamen en ontwikkelden de eerste praktische foto-elektrische cellen waarmee de intensiteit van licht kon worden gemeten.:458 Zij rangschikten de metalen naar hun vermogen om negatieve elektriciteit te ontladen: rubidium, kalium, legering van kalium en natrium, natrium, lithium, magnesium, thallium en zink; voor koper, platina, lood, ijzer, cadmium, koolstof en kwik waren de effecten met gewoon licht te klein om meetbaar te zijn. De volgorde van de metalen voor dit effect was dezelfde als in Volta’s reeks voor contact-elektriciteit, waarbij de meest elektropositieve metalen het grootste foto-elektrische effect gaven.
In 1887 observeerde Heinrich Hertz het foto-elektrisch effect en rapporteerde over de productie en ontvangst van elektromagnetische golven. De ontvanger in zijn apparaat bestond uit een spoel met een vonkbrug, waar een vonk te zien zou zijn bij detectie van elektromagnetische golven. Hij plaatste het apparaat in een verduisterde kast om de vonk beter te kunnen zien. Hij merkte echter dat de maximumlengte van de vonk korter werd wanneer hij zich in de doos bevond. Een glazen paneel dat tussen de bron van de elektromagnetische golven en de ontvanger was geplaatst, absorbeerde ultraviolette straling die de elektronen hielp bij het overspringen van de spleet. Wanneer het verwijderd werd, nam de vonklengte toe. Hij nam geen afname van de vonklengte waar toen hij het glas verving door kwarts, omdat kwarts geen UV-straling absorbeert.
De ontdekkingen van Hertz leidden tot een reeks onderzoeken door Hallwachs, Hoor, Righi en Stoletov naar het effect van licht, en vooral van ultraviolet licht, op geladen lichamen. Hallwachs sloot een zinken plaat aan op een elektroscoop. Hij liet ultraviolet licht vallen op een pas gereinigde zinkplaat en nam waar dat de zinkplaat ongeladen werd als hij aanvankelijk negatief geladen was, positief geladen als hij aanvankelijk ongeladen was, en meer positief geladen als hij aanvankelijk positief geladen was. Uit deze waarnemingen concludeerde hij dat sommige negatief geladen deeltjes door de zinkplaat werden uitgezonden wanneer deze aan ultraviolet licht werd blootgesteld.
Wat het Hertz-effect betreft, toonden de onderzoekers vanaf het begin de complexiteit aan van het verschijnsel van foto-elektrische vermoeidheid – de geleidelijke vermindering van het effect dat wordt waargenomen op verse metalen oppervlakken. Volgens Hallwachs speelde ozon een belangrijke rol in het verschijnsel, en werd de emissie beïnvloed door oxidatie, vochtigheid, en de mate van polijsten van het oppervlak. Het was destijds onduidelijk of vermoeidheid afwezig is in een vacuüm.
In de periode van 1888 tot 1891 werd een gedetailleerde analyse van het foto-effect uitgevoerd door Aleksandr Stoletov met resultaten die in zes publicaties werden gerapporteerd. Stoletov vond een nieuwe experimentele opstelling uit die meer geschikt was voor een kwantitatieve analyse van het foto-effect. Hij ontdekte een directe evenredigheid tussen de intensiteit van het licht en de geïnduceerde foto-elektrische stroom (de eerste wet van het foto-effect of de wet van Stoletov). Hij mat de afhankelijkheid van de intensiteit van de foto-elektrische stroom van de gasdruk, waarbij hij het bestaan vond van een optimale gasdruk die overeenkomt met een maximale fotostroom; deze eigenschap werd gebruikt voor het maken van zonnecellen.
Veel andere stoffen dan metalen ontladen negatieve elektriciteit onder invloed van ultraviolet licht. G. C. Schmidt en O. Knoblauch stelden een lijst van deze stoffen op.
In 1899 onderzocht J. J. Thomson ultraviolet licht in Crookes-buizen. Thomson leidde daaruit af dat de uitgeworpen deeltjes, die hij corpuskels noemde, van dezelfde aard waren als kathodestralen. Deze deeltjes werden later bekend als de elektronen. Thomson sloot een metalen plaat (een kathode) op in een vacuümbuis, en stelde deze bloot aan hoogfrequente straling. Men dacht dat de oscillerende elektromagnetische velden een resonantie veroorzaakten van het atoomveld en, na het bereiken van een bepaalde amplitude, een subatomaire corpusculair deden uitstralen, en stroom deden waarnemen. De hoeveelheid van deze stroom varieerde met de intensiteit en de kleur van de straling. Een grotere intensiteit of frequentie van de straling zou meer stroom produceren.
In de jaren 1886-1902 onderzochten Wilhelm Hallwachs en Philipp Lenard het verschijnsel van foto-elektrische emissie in detail. Lenard stelde vast dat er een stroom vloeit door een vacuüm glazen buis die twee elektroden omsluit, wanneer ultraviolette straling op een van die elektroden valt. Zodra de ultraviolette straling wordt gestopt, stopt ook de stroom. Hiermee werd de aanzet gegeven tot het begrip foto-elektrische emissie. De ontdekking van de ionisatie van gassen door ultraviolet licht werd gedaan door Philipp Lenard in 1900. Aangezien het effect zich over enkele centimeters lucht uitstrekte en een groter aantal positieve dan negatieve ionen opleverde, lag het voor de hand het verschijnsel te interpreteren, zoals J. J. Thomson deed, als een Hertz-effect op de in het gas aanwezige deeltjes.
20e eeuwEdit
In 1902 merkte Lenard op dat de energie van de afzonderlijke uitgezonden elektronen toenam met de frequentie (die gerelateerd is aan de kleur) van het licht. Dit bleek in strijd te zijn met de golftheorie van Maxwell, die voorspelde dat de elektronenenergie evenredig zou zijn met de intensiteit van de straling.
Lenard nam de variatie in elektronenenergie met de lichtfrequentie waar met behulp van een krachtige elektrische booglamp waarmee hij grote veranderingen in intensiteit kon onderzoeken, en die voldoende vermogen had om hem in staat te stellen de variatie van de potentiaal van de elektrode met de lichtfrequentie te onderzoeken. Hij vond de elektronenenergie door deze te relateren aan de maximale stoppotentiaal (spanning) in een fotobuis. Hij ontdekte dat de maximale kinetische energie van de elektronen wordt bepaald door de frequentie van het licht. Zo leidt een verhoging van de frequentie tot een verhoging van de maximale kinetische energie die voor een elektron bij vrijlating wordt berekend – ultraviolette straling zou een hoger toegepast stoppotentiaal vereisen om de stroom in een fotobuis te stoppen dan blauw licht. Lenard’s resultaten waren echter eerder kwalitatief dan kwantitatief vanwege de moeilijkheid bij het uitvoeren van de experimenten: de experimenten moesten worden uitgevoerd op vers gesneden metaal zodat het zuivere metaal kon worden waargenomen, maar het oxideerde in een kwestie van minuten, zelfs in de gedeeltelijke vacuüms die hij gebruikte. De door het oppervlak uitgezonden stroom werd bepaald door de intensiteit, of helderheid, van het licht: verdubbeling van de intensiteit van het licht verdubbelde het aantal elektronen dat door het oppervlak werd uitgezonden.
De onderzoeken van Langevin en die van Eugene Bloch hebben aangetoond dat het grootste deel van het Lenard-effect zeker toe te schrijven is aan het Hertz-effect. Het Lenard-effect op het gas zelf bestaat echter wel. Opnieuw ontdekt door J. J. Thomson en vervolgens meer beslist door Frederic Palmer, Jr., werd de foto-emissie van gas bestudeerd en vertoonde deze heel andere kenmerken dan die welke er eerst door Lenard aan werden toegeschreven.
In 1900, toen hij de straling van het zwarte lichaam bestudeerde, suggereerde de Duitse natuurkundige Max Planck in zijn paper “On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum” dat de energie die door elektromagnetische golven wordt vervoerd, alleen kan vrijkomen in pakketjes energie. In 1905 publiceerde Albert Einstein een artikel waarin hij de hypothese verdedigde dat lichtenergie wordt vervoerd in discrete gekwantificeerde pakketjes om experimentele gegevens van het foto-elektrisch effect te verklaren. Einstein theoretiseerde dat de energie in elk lichtkwantum gelijk was aan de frequentie van het licht vermenigvuldigd met een constante, later de constante van Planck genoemd. Een foton boven een drempelfrequentie heeft de vereiste energie om een enkel elektron uit te stoten, waardoor het waargenomen effect ontstaat. Dit was een belangrijke stap in de ontwikkeling van de kwantummechanica. In 1914 ondersteunde Millikan’s experiment Einstein’s model van het foto-elektrisch effect. Einstein kreeg de Nobelprijs voor natuurkunde in 1921 voor “zijn ontdekking van de wet van het foto-elektrisch effect”, en Robert Millikan kreeg de Nobelprijs in 1923 voor “zijn werk aan de elementaire lading van elektriciteit en aan het foto-elektrisch effect”. In de kwantumperturbatietheorie van atomen en vaste stoffen waarop elektromagnetische straling werkt, wordt het foto-elektrisch effect nog steeds meestal geanalyseerd in termen van golven; de twee benaderingen zijn gelijkwaardig omdat absorptie van fotonen of golven alleen kan plaatsvinden tussen gekwantiseerde energieniveaus waarvan het energieverschil gelijk is aan dat van de energie van het foton.
Albert Einstein’s wiskundige beschrijving van hoe het foto-elektrisch effect werd veroorzaakt door absorptie van quanta van licht stond in een van zijn Annus Mirabilis verhandelingen, genaamd “On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”. In dit artikel stelde hij een eenvoudige beschrijving voor van lichtkwanta, of fotonen, en liet hij zien hoe zij verschijnselen als het foto-elektrisch effect verklaarden. Zijn eenvoudige verklaring in termen van absorptie van discrete lichtkwanta kwam overeen met experimentele resultaten. Het verklaarde waarom de energie van foto-elektronen alleen afhankelijk was van de frequentie van het invallende licht en niet van de intensiteit ervan: bij lage intensiteit kon de hoogfrequente bron een paar fotonen met hoge energie leveren, terwijl bij hoge intensiteit de laagfrequente bron geen fotonen zou leveren met voldoende individuele energie om elektronen los te maken. Dit was een enorme theoretische sprong, maar het concept werd aanvankelijk sterk tegengewerkt omdat het in strijd was met de golftheorie van licht die op natuurlijke wijze voortvloeide uit de vergelijkingen van elektromagnetisme van James Clerk Maxwell, en meer in het algemeen, met de aanname van oneindige deelbaarheid van energie in fysische systemen. Zelfs nadat experimenten aantoonden dat Einstein’s vergelijkingen voor het foto-elektrisch effect accuraat waren, bleef de weerstand tegen het idee van fotonen bestaan.
Einstein’s werk voorspelde dat de energie van individuele uitgeworpen elektronen lineair toeneemt met de frequentie van het licht. Het is misschien verrassend dat de precieze relatie op dat moment nog niet was getest. In 1905 was bekend dat de energie van foto-elektronen toeneemt met toenemende frequentie van het invallende licht en onafhankelijk is van de intensiteit van het licht. De wijze van toename werd echter pas in 1914 experimenteel vastgesteld toen Robert Andrews Millikan aantoonde dat Einsteins voorspelling juist was.
Het foto-elektrisch effect droeg bij tot de ontwikkeling van het toen opkomende concept van golf-deeltje dualiteit in de aard van licht. Licht bezit tegelijkertijd de eigenschappen van zowel golven als deeltjes, waarbij elk van beide zich manifesteert naar gelang van de omstandigheden. Het effect was onmogelijk te begrijpen in termen van de klassieke golfbeschrijving van licht, aangezien de energie van de uitgezonden elektronen niet afhing van de intensiteit van de invallende straling. De klassieke theorie voorspelde dat de elektronen gedurende een bepaalde tijd energie zouden “verzamelen” en vervolgens zouden worden uitgezonden.