Fényelektromos hatás

Az aranylevél-elektroszkóp a fotoelektromos hatás demonstrálására. Ha az elektroszkóp negatív töltésű, akkor elektronfelesleg keletkezik, és a levelek szétválnak. Ha kis hullámhosszú, nagyfrekvenciás fény (például ívlámpából nyert ultraibolya fény, vagy magnézium égetésével, vagy a cink- vagy kadmiumpólusok közötti indukciós tekercs segítségével szikrázást keltve) világít a kupakra, az elektroszkóp kisül, és a levelek elernyednek. Ha azonban a fényhullámok frekvenciája a kupak küszöbértéke alatt van, a levelek nem fognak kisülni, bármennyi ideig világítunk is a kupakra.

1887-ben Heinrich Hertz megfigyelte a fotoelektromos hatást, és beszámolt az elektromágneses hullámok keletkezéséről és vételéről. Készülékének vevőkészüléke egy szikraközzel ellátott tekercsből állt, ahol az elektromágneses hullámok észlelésekor szikra keletkezett. A készüléket egy elsötétített dobozba helyezte, hogy a szikrát jobban láthassa. Észrevette azonban, hogy a szikra maximális hossza csökkent, amikor a dobozban volt. Az elektromágneses hullámok forrása és a vevő között elhelyezett üveglap elnyelte az ultraibolya sugárzást, amely segítette az elektronok átugrását a résen. Ha eltávolították, a szikra hossza megnőtt. Nem tapasztalta a szikrahossz csökkenését, amikor az üveget kvarccal helyettesítette, mivel a kvarc nem nyeli el az UV-sugárzást.

A Hertz felfedezései Hallwachs, Hoor, Righi és Stoletov vizsgálatsorozatához vezettek a fény, és különösen az ultraibolya fény töltött testekre gyakorolt hatásával kapcsolatban. Hallwachs egy cinklemezt kapcsolt egy elektroszkóphoz. Hagyta, hogy ultraibolya fény essen a frissen tisztított cinklemezre, és megfigyelte, hogy a cinklemez töltés nélkülivé vált, ha kezdetben negatívan töltött, pozitívan töltötté, ha kezdetben töltés nélküli, és pozitívabban töltötté, ha kezdetben pozitívan töltött. Ezekből a megfigyelésekből arra a következtetésre jutott, hogy a cinklemez negatív töltésű részecskéket bocsát ki, amikor ultraibolya fénynek van kitéve.

A Hertz-effektus tekintetében a kutatók már a kezdetektől fogva kimutatták a fotoelektromos fáradás jelenségének összetettségét – a friss fémfelületeken megfigyelt hatás fokozatos csökkenését. Hallwachs szerint a jelenségben fontos szerepet játszott az ózon, és az emissziót befolyásolta az oxidáció, a páratartalom és a felület polírozásának mértéke. Abban az időben nem volt világos, hogy vákuumban hiányzik-e a fáradás.

Az 1888 és 1891 közötti időszakban Alekszandr Sztoletov végezte el a fotoeffektus részletes elemzését, amelynek eredményeiről hat publikációban számolt be. Sztoletov új kísérleti elrendezést talált fel, amely alkalmasabb volt a fotoeffektus mennyiségi elemzésére. Felfedezte a fény intenzitása és az indukált fotoelektromos áram közötti egyenes arányosságot (a fotoeffektus első törvénye vagy Sztoletov-törvény). Megmérte a fotoelektromos áram intenzitásának a gáznyomástól való függését, ahol megállapította a maximális fotoáramnak megfelelő optimális gáznyomás létezését; ezt a tulajdonságot használta ki a napelemek létrehozásánál.

A fémeken kívül számos anyag bocsát ki negatív elektromosságot ultraibolya fény hatására. G. C. Schmidt és O. Knoblauch összeállította ezen anyagok listáját.

1899-ben J. J. Thomson Crookes-csövekben vizsgálta az ultraibolya fényt. Thomson arra a következtetésre jutott, hogy a kilökött részecskék, amelyeket korpuszkuláknak nevezett el, ugyanolyan természetűek, mint a katódsugarak. Ezek a részecskék később elektronok néven váltak ismertté. Thomson egy fémlemezt (katódot) zárt be egy vákuumcsőbe, és nagyfrekvenciás sugárzásnak tette ki. Úgy gondolta, hogy a rezgő elektromágneses mezők rezonanciára késztetik az atomok mezejét, és egy bizonyos amplitúdó elérése után szubatomi korpuszok kibocsátását, valamint áram kimutatását okozzák. Ennek az áramnak a mennyisége a sugárzás intenzitásától és színétől függően változott. Nagyobb sugárzás intenzitása vagy frekvenciája több áramot eredményezett.

Az 1886-1902-es években Wilhelm Hallwachs és Philipp Lenard részletesen vizsgálta a fotoelektromos emisszió jelenségét. Lenard megfigyelte, hogy egy két elektródát magába foglaló kiürített üvegcsőben áram folyik, amikor az egyik elektródára ultraibolya sugárzás esik. Amint az ultraibolya sugárzás megszűnik, az áram is megszűnik. Ez indította el a fotoelektromos emisszió fogalmát. A gázok ultraibolya fény általi ionizációjának felfedezését Philipp Lenard tette meg 1900-ban. Mivel a hatás több centiméternyi levegőben keletkezett, és több pozitív iont eredményezett, mint negatívot, természetes volt, hogy a jelenséget J. J. Thomsonhoz hasonlóan a gázban lévő részecskékre gyakorolt Hertz-hatásként értelmezték.

20. századSzerkesztés

1902-ben Lenard megfigyelte, hogy az egyes kibocsátott elektronok energiája a fény frekvenciájával (amely a színnel függ össze) együtt nő. Ez ellentmondani látszott Maxwell fényhullámelméletének, amely azt jósolta, hogy az elektronok energiája arányos a sugárzás intenzitásával.

Lenard az elektronok energiájának a fény frekvenciájával való változását egy nagy teljesítményű elektromos ívlámpa segítségével figyelte meg, amely lehetővé tette számára, hogy nagy intenzitásváltozásokat vizsgáljon, és amely elegendő energiával rendelkezett ahhoz, hogy az elektróda potenciáljának a fény frekvenciájával való változását is vizsgálni tudja. Az elektronenergiát úgy találta meg, hogy egy fénycsőben a maximális megállási potenciálhoz (feszültséghez) viszonyította. Megállapította, hogy az elektronok maximális mozgási energiáját a fény frekvenciája határozza meg. Például a frekvencia növekedése az elektron felszabadulásakor számított maximális kinetikus energia növekedését eredményezi – az ultraibolya sugárzás nagyobb alkalmazott megállító potenciált igényel az áram megállításához egy fotócsőben, mint a kék fény. Lenard eredményei azonban inkább kvalitatívak, mint kvantitatívak voltak a kísérletek elvégzésének nehézségei miatt: a kísérleteket frissen vágott fémen kellett elvégezni, hogy a tiszta fémet lehessen megfigyelni, de az még az általa használt részleges vákuumban is percek alatt oxidálódott. A felület által kibocsátott áramot a fény intenzitása, vagyis fényereje határozta meg: a fény intenzitásának megduplázása megduplázta a felület által kibocsátott elektronok számát.

Langevin és Eugene Bloch kutatásai kimutatták, hogy a Lenard-effektus nagyobb része minden bizonnyal a Hertz-effektusnak köszönhető. Magára a gázra gyakorolt Lenard-hatás mindazonáltal létezik. A J. J. Thomson, majd határozottabban Frederic Palmer, Jr. által újra felfedezett gáz-fotoemissziót tanulmányozták, és egészen más jellemzőket mutattak, mint amilyeneket először Lenard tulajdonított neki.

A német fizikus Max Planck 1900-ban, a fekete testek sugárzásának tanulmányozása során “Az energia eloszlásának törvénye a normális spektrumban” című dolgozatában felvetette, hogy az elektromágneses hullámok által hordozott energia csak energiacsomagokban szabadulhat fel. 1905-ben Albert Einstein publikálta azt a hipotézist, hogy a fényenergiát diszkrét kvantált csomagokban szállítják, hogy megmagyarázza a fotoelektromos effektusból származó kísérleti adatokat. Einstein elmélete szerint az egyes fénykvantumokban lévő energia egyenlő a fény frekvenciájának és egy később Planck-állandónak nevezett állandónak a szorzatával. Egy küszöbfrekvencia feletti foton rendelkezik a szükséges energiával egyetlen elektron kilökéséhez, ami létrehozza a megfigyelt hatást. Ez kulcsfontosságú lépés volt a kvantummechanika fejlődésében. 1914-ben Millikan kísérlete alátámasztotta Einstein fotoelektromos hatásról alkotott modelljét. Einstein 1921-ben fizikai Nobel-díjat kapott “a fotoelektromos hatás törvényének felfedezéséért”, Robert Millikan pedig 1923-ban Nobel-díjat kapott “az elektromosság elemi töltésével és a fotoelektromos hatással kapcsolatos munkájáért”. Az elektromágneses sugárzás által befolyásolt atomok és szilárd testek kvantumperturbáció-elméletében a fotoelektromos hatást még mindig általában a hullámok szempontjából elemzik; a két megközelítés egyenértékű, mert foton- vagy hullámelnyelés csak olyan kvantált energiaszintek között történhet, amelyek energiakülönbsége megegyezik a foton energiájával.

Albert Einstein egyik Annus Mirabilis című, “A fény keletkezésére és átalakulására vonatkozó heurisztikus szemléletről” című dolgozatában matematikai leírást adott arról, hogy a fotoelektromos effektus hogyan keletkezik a fénykvantumok elnyelésével. A dolgozat a fénykvantumok, vagyis a fotonok egyszerű leírását javasolta, és megmutatta, hogyan magyarázzák az olyan jelenségeket, mint a fotoelektromos hatás. A diszkrét fénykvantumok elnyelésével kapcsolatos egyszerű magyarázata megegyezett a kísérleti eredményekkel. Megmagyarázta, hogy a fotoelektronok energiája miért csak a beeső fény frekvenciájától függ, nem pedig annak intenzitásától: alacsony intenzitás esetén a nagyfrekvenciás forrás néhány nagy energiájú fotont tudott szolgáltatni, míg nagy intenzitás esetén a kisfrekvenciás forrás nem szolgáltatott olyan egyedi energiájú fotont, amely elegendő lett volna az elektronok elmozdításához. Ez hatalmas elméleti ugrás volt, de az elképzelésnek eleinte heves ellenállásba ütközött, mivel ellentmondott a fény hullámelméletének, amely James Clerk Maxwell elektromágneses egyenleteiből, és általánosabban az energia fizikai rendszerekben való végtelen oszthatóságának feltételezéséből következett. Még azután is, hogy a kísérletek kimutatták, hogy Einstein fotoelektromos effektusra vonatkozó egyenletei pontosak, a fotonok gondolatával szembeni ellenállás folytatódott.

Einstein munkája azt jósolta, hogy az egyes kilökött elektronok energiája lineárisan nő a fény frekvenciájával. Talán meglepő, de a pontos összefüggést akkoriban még nem vizsgálták. 1905-re már tudták, hogy a fotoelektronok energiája a beeső fény frekvenciájának növekedésével nő, és független a fény intenzitásától. A növekedés módját azonban csak 1914-ben határozták meg kísérletileg, amikor Robert Andrews Millikan kimutatta, hogy Einstein jóslata helyes.

A fotoelektromos hatás hozzájárult a fény természetének akkoriban kialakuló hullám-részecske kettősségének koncepciójához. A fény egyszerre rendelkezik a hullámok és a részecskék tulajdonságaival, és mindkettő a körülményeknek megfelelően nyilvánul meg. Az effektust lehetetlen volt megérteni a fény klasszikus hullámleírása alapján, mivel a kibocsátott elektronok energiája nem függött a beeső sugárzás intenzitásától. A klasszikus elmélet azt jósolta, hogy az elektronok egy bizonyos idő alatt “összegyűjtik” az energiát, majd kisugározzák azt.