Efectul fotoelectric

Electroscopul cu foiță de aur pentru demonstrarea efectului fotoelectric. Atunci când electroscopul este încărcat negativ, există un exces de electroni și frunzele se separă. Dacă lumina cu lungime de undă mică și frecvență înaltă (cum ar fi lumina ultravioletă obținută de la o lampă cu arc electric, sau prin arderea magneziului, sau prin utilizarea unei bobine de inducție între bornele de zinc sau cadmiu pentru a produce scântei) strălucește pe capac, electroscopul se descarcă, iar frunzele cad moi. Cu toate acestea, dacă frecvența undelor luminoase este sub valoarea de prag pentru capac, frunzele nu se descarcă, indiferent cât timp se luminează capacul.

În 1887, Heinrich Hertz a observat efectul fotoelectric și a relatat despre producerea și recepția undelor electromagnetice. Receptorul din aparatul său era alcătuit dintr-o bobină cu un spațiu de scânteie, unde se vedea o scânteie la detectarea undelor electromagnetice. El a plasat aparatul într-o cutie întunecată pentru a vedea mai bine scânteia. Cu toate acestea, a observat că lungimea maximă a scânteii era redusă atunci când se afla în interiorul cutiei. Un panou de sticlă plasat între sursa de unde electromagnetice și receptor absorbea radiații ultraviolete care ajutau electronii să sară peste întrefier. Atunci când era îndepărtat, lungimea scânteii creștea. El nu a observat nicio scădere a lungimii scânteii atunci când a înlocuit sticla cu cuarț, deoarece cuarțul nu absoarbe radiația ultravioletă.

Descoperirile lui Hertz au dus la o serie de investigații efectuate de Hallwachs, Hoor, Righi și Stoletov cu privire la efectul luminii, și în special al luminii ultraviolete, asupra corpurilor încărcate. Hallwachs a conectat o placă de zinc la un electroscop. El a lăsat lumina ultravioletă să cadă pe o placă de zinc proaspăt curățată și a observat că placa de zinc devenea neîncărcată dacă era inițial încărcată negativ, încărcată pozitiv dacă era inițial neîncărcată și mai încărcată pozitiv dacă era inițial încărcată pozitiv. Din aceste observații, el a concluzionat că unele particule încărcate negativ au fost emise de placa de zinc atunci când a fost expusă la lumina ultravioletă.

În ceea ce privește efectul Hertz, cercetătorii au arătat încă de la început complexitatea fenomenului de oboseală fotoelectrică – diminuarea progresivă a efectului observat la suprafețe metalice proaspete. Potrivit lui Hallwachs, ozonul a jucat un rol important în acest fenomen, iar emisia a fost influențată de oxidare, de umiditate și de gradul de lustruire a suprafeței. La acea vreme nu era clar dacă oboseala este absentă în vid.

În perioada 1888-1891, o analiză detaliată a fotoefectului a fost realizată de Aleksandr Stoletov, cu rezultate raportate în șase publicații. Stoletov a inventat un nou montaj experimental care era mai potrivit pentru o analiză cantitativă a fotoefectului. El a descoperit o proporționalitate directă între intensitatea luminii și curentul fotoelectric indus (prima lege a fotoefectului sau legea lui Stoletov). A măsurat dependența intensității curentului fotoelectric de presiunea gazului, unde a constatat existența unei presiuni optime a gazului care corespunde unui fotocurent maxim; această proprietate a fost utilizată pentru crearea de celule solare.

Multe substanțe, în afară de metale, descarcă electricitate negativă sub acțiunea luminii ultraviolete. G. C. Schmidt și O. Knoblauch au întocmit o listă a acestor substanțe.

În 1899, J. J. Thomson a investigat lumina ultravioletă în tuburile Crookes. Thomson a dedus că particulele ejectate, pe care le-a numit corpusculi, sunt de aceeași natură cu razele catodice. Aceste particule au devenit mai târziu cunoscute sub numele de electroni. Thomson a închis o placă metalică (un catod) într-un tub cu vid și a expus-o la radiații de înaltă frecvență. S-a crezut că câmpurile electromagnetice oscilante au făcut ca câmpul atomilor să rezoneze și, după ce au atins o anumită amplitudine, au determinat emiterea de corpusculi subatomici și detectarea curentului. Cantitatea acestui curent varia în funcție de intensitatea și culoarea radiației. O intensitate sau o frecvență mai mare a radiației producea mai mult curent.

Între anii 1886-1902, Wilhelm Hallwachs și Philipp Lenard au investigat în detaliu fenomenul de emisie fotoelectrică. Lenard a observat că un curent trece printr-un tub de sticlă vidat care înconjoară doi electrozi atunci când o radiație ultravioletă cade pe unul dintre ei. De îndată ce radiația ultravioletă este oprită, curentul se oprește și el. Acest lucru a inițiat conceptul de emisie fotoelectrică. Descoperirea ionizării gazelor de către lumina ultravioletă a fost făcută de Philipp Lenard în 1900. Deoarece efectul se producea pe o suprafață de câțiva centimetri de aer și producea un număr mai mare de ioni pozitivi decât negativi, era firesc să interpretăm fenomenul, așa cum a făcut J. J. Thomson, ca un efect Hertz asupra particulelor prezente în gaz.

Secolul XXEdit

În 1902, Lenard a observat că energia electronilor individuali emiși creștea odată cu frecvența (care este legată de culoare) luminii. Acest lucru părea să fie în contradicție cu teoria ondulatorie a luminii a lui Maxwell, care prezicea că energia electronilor ar fi proporțională cu intensitatea radiației.

Lenard a observat variația energiei electronilor cu frecvența luminii folosind o lampă cu arc electric puternică, care i-a permis să investigheze schimbările mari de intensitate și care avea suficientă putere pentru a-i permite să investigheze variația potențialului electrodului cu frecvența luminii. El a găsit energia electronilor prin raportarea acesteia la potențialul maxim de oprire (tensiunea) într-un fototub. El a constatat că energia cinetică maximă a electronului este determinată de frecvența luminii. De exemplu, o creștere a frecvenței duce la o creștere a energiei cinetice maxime calculate pentru un electron la eliberare – radiația ultravioletă ar necesita un potențial de oprire aplicat mai mare pentru a opri curentul într-un fototub decât lumina albastră. Cu toate acestea, rezultatele lui Lenard au fost mai degrabă calitative decât cantitative din cauza dificultății de realizare a experimentelor: experimentele trebuiau făcute pe metal proaspăt tăiat, astfel încât să se poată observa metalul pur, dar acesta se oxida în câteva minute chiar și în vidul parțial pe care l-a folosit. Curentul emis de suprafață era determinat de intensitatea sau strălucirea luminii: dublând intensitatea luminii se dubla numărul de electroni emiși de suprafață.

Cercetările lui Langevin și cele ale lui Eugene Bloch au arătat că cea mai mare parte a efectului Lenard se datorează cu siguranță efectului Hertz. Cu toate acestea, efectul Lenard asupra gazului în sine există totuși. Refăcut de J. J. Thomson și apoi, mai decisiv, de Frederic Palmer Jr. a fost studiată fotoemisia gazului și a arătat caracteristici foarte diferite de cele care i-au fost atribuite inițial de Lenard.

În 1900, în timp ce studia radiația de corp negru, fizicianul german Max Planck a sugerat în lucrarea sa „On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum” (Despre legea distribuției energiei în spectrul normal) că energia transportată de undele electromagnetice nu poate fi eliberată decât sub formă de pachete de energie. În 1905, Albert Einstein a publicat o lucrare în care avansează ipoteza că energia luminoasă este transportată în pachete cuantificate discrete pentru a explica datele experimentale din efectul fotoelectric. Einstein a teoretizat că energia din fiecare cuantă de lumină era egală cu frecvența luminii înmulțită cu o constantă, numită mai târziu constanta lui Planck. Un foton care depășește un prag de frecvență are energia necesară pentru a ejecta un singur electron, creând efectul observat. Acesta a fost un pas esențial în dezvoltarea mecanicii cuantice. În 1914, experimentul lui Millikan a susținut modelul lui Einstein privind efectul fotoelectric. Einstein a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1921 pentru „descoperirea legii efectului fotoelectric”, iar Robert Millikan a primit Premiul Nobel în 1923 pentru „lucrările sale privind sarcina elementară a electricității și efectul fotoelectric”. În teoria perturbațiilor cuantice a atomilor și a solidelor asupra cărora acționează radiația electromagnetică, efectul fotoelectric este încă analizat în mod obișnuit în termeni de unde; cele două abordări sunt echivalente deoarece absorbția fotonului sau a undei poate avea loc numai între niveluri energetice cuantificate a căror diferență de energie este cea a energiei fotonului.

Descrierea matematică a lui Albert Einstein a modului în care efectul fotoelectric era cauzat de absorbția cuantelor de lumină a fost făcută într-una dintre lucrările sale Annus Mirabilis, numită „On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”. Lucrarea propunea o descriere simplă a cuantelor de lumină, sau a fotonilor, și arăta modul în care acestea explicau fenomene precum efectul fotoelectric. Explicația sa simplă în termeni de absorbție a cuantelor discrete de lumină a fost în concordanță cu rezultatele experimentale. Aceasta a explicat de ce energia fotoelectronilor depindea doar de frecvența luminii incidente și nu de intensitatea acesteia: la o intensitate scăzută, sursa de înaltă frecvență putea furniza câțiva fotoni de mare energie, în timp ce la o intensitate ridicată, sursa de joasă frecvență nu furniza niciun foton cu o energie individuală suficientă pentru a disloca electronii. Acesta a fost un salt teoretic enorm, dar conceptul a întâmpinat la început o rezistență puternică, deoarece contrazicea teoria ondulatorie a luminii, care decurgea în mod natural din ecuațiile electromagnetismului lui James Clerk Maxwell și, mai general, presupunerea divizibilității infinite a energiei în sistemele fizice. Chiar și după ce experimentele au arătat că ecuațiile lui Einstein pentru efectul fotoelectric erau exacte, rezistența față de ideea de fotoni a continuat.

Lucrarea lui Einstein a prezis că energia electronilor individuali ejectați crește liniar cu frecvența luminii. Poate surprinzător, relația precisă nu fusese testată la acel moment. Până în 1905 se știa că energia fotoelectronilor crește odată cu creșterea frecvenței luminii incidente și este independentă de intensitatea luminii. Cu toate acestea, modul de creștere nu a fost determinat experimental până în 1914, când Robert Andrews Millikan a demonstrat că predicția lui Einstein era corectă.

Efectul fotoelectric a contribuit la propulsarea conceptului de dualitate undă-particulă în natura luminii, care a apărut atunci. Lumina posedă simultan caracteristicile atât ale undelor, cât și ale particulelor, fiecare dintre acestea manifestându-se în funcție de circumstanțe. Efectul era imposibil de înțeles în termenii descrierii ondulatorii clasice a luminii, deoarece energia electronilor emiși nu depindea de intensitatea radiației incidente. Teoria clasică a prezis că electronii ar fi „acumulat” energie de-a lungul unei perioade de timp, iar apoi ar fi fost emiși.

.