Fotoelektrisk effekt
1800-talRedigera
Alexandre Edmond Becquerel upptäckte 1839 den fotovoltaiska effekten när han studerade ljusets effekt på elektrolytiska celler. Även om det inte är likvärdigt med den fotoelektriska effekten var hans arbete om solceller avgörande för att visa ett starkt samband mellan ljus och elektroniska egenskaper hos material. År 1873 upptäckte Willoughby Smith fotokonduktivitet i selen när han testade metallen för dess högresistenta egenskaper i samband med sitt arbete med undervattenstelegrafiska kablar.
Johann Elster (1854-1920) och Hans Geitel (1855-1923), studenter i Heidelberg, undersökte de effekter som ljuset åstadkommer på elektrifierade kroppar och utvecklade de första praktiska fotoelektriska cellerna som kunde användas för att mäta ljusets intensitet.:458 De ordnade metallerna med avseende på deras förmåga att avge negativ elektricitet: rubidium, kalium, en legering av kalium och natrium, natrium, litium, magnesium, tallium och zink; för koppar, platina, bly, järn, kadmium, kol och kvicksilver var effekterna med vanligt ljus för små för att kunna mätas. Metallernas ordning för denna effekt var densamma som i Voltas serie för kontaktelektricitet, de mest elektropositiva metallerna gav den största fotoelektriska effekten.
År 1887 observerade Heinrich Hertz den fotoelektriska effekten och rapporterade om produktion och mottagning av elektromagnetiska vågor. Mottagaren i hans apparat bestod av en spole med ett gnistgap, där en gnista skulle synas vid detektering av elektromagnetiska vågor. Han placerade apparaten i en mörklagd låda för att bättre kunna se gnistan. Han märkte dock att den maximala gnistlängden minskade när den var inne i lådan. En glasskiva som placerades mellan källan till elektromagnetiska vågor och mottagaren absorberade ultraviolett strålning som hjälpte elektronerna att hoppa över gapet. När den avlägsnades ökade gnistlängden. Han observerade ingen minskning av gnistlängden när han ersatte glaset med kvarts, eftersom kvarts inte absorberar UV-strålning.
Hertz upptäckter ledde till en rad undersökningar av Hallwachs, Hoor, Righi och Stoletov om ljusets, och särskilt det ultravioletta ljusets, effekt på laddade kroppar. Hallwachs kopplade en zinkplatta till ett elektroskop. Han lät ultraviolett ljus falla på en nyligen rengjord zinkplatta och observerade att zinkplattan blev oladdad om den ursprungligen var negativt laddad, positivt laddad om den ursprungligen var oladdad och mer positivt laddad om den ursprungligen var positivt laddad. Av dessa observationer drog han slutsatsen att vissa negativt laddade partiklar avgavs från zinkplattan när den utsattes för ultraviolett ljus.
Med avseende på Hertz-effekten visade forskarna redan från början på komplexiteten hos fenomenet fotoelektrisk utmattning – den progressiva minskningen av den effekt som observeras på färska metalliska ytor. Enligt Hallwachs spelade ozon en viktig roll i fenomenet, och emissionen påverkades av oxidation, fuktighet och graden av polering av ytan. Det var vid den tiden oklart om utmattning saknas i vakuum.
Under perioden 1888-1891 utfördes en detaljerad analys av fotoeffekten av Aleksandr Stoletov med resultat som rapporterades i sex publikationer. Stoletov uppfann en ny experimentell uppställning som var mer lämplig för en kvantitativ analys av fotoeffekten. Han upptäckte en direkt proportionalitet mellan ljusintensiteten och den inducerade fotoelektriska strömmen (fotoeffektens första lag eller Stoletovs lag). Han mätte den fotoelektriska strömmens intensitet i förhållande till gastrycket och fann att det finns ett optimalt gastryck som motsvarar en maximal fotoström; denna egenskap användes för att skapa solceller.
Många ämnen förutom metaller avger negativ elektricitet under inverkan av ultraviolett ljus. G. C. Schmidt och O. Knoblauch har sammanställt en förteckning över dessa ämnen.
År 1899 undersökte J. J. Thomson ultraviolett ljus i Crookes-rör. Thomson drog slutsatsen att de utkastade partiklarna, som han kallade corpuscles, var av samma slag som katodstrålar. Dessa partiklar blev senare kända som elektroner. Thomson inneslöt en metallplatta (en katod) i ett vakuumrör och utsatte den för högfrekvent strålning. Man trodde att de oscillerande elektromagnetiska fälten fick atomernas fält att resonera och, efter att ha nått en viss amplitud, orsakade att en subatomär korpuskel avgavs och att ström kunde upptäckas. Mängden av denna ström varierade med strålningens intensitet och färg. Större strålningsintensitet eller frekvens skulle ge mer ström.
Under åren 1886-1902 undersökte Wilhelm Hallwachs och Philipp Lenard fenomenet fotoelektrisk emission i detalj. Lenard observerade att en ström flödar genom ett evakuerat glasrör som omsluter två elektroder när ultraviolett strålning faller på en av dem. Så snart den ultravioletta strålningen upphör, upphör också strömmen. Detta var grunden till begreppet fotoelektrisk emission. Upptäckten av joniseringen av gaser genom ultraviolett ljus gjordes av Philipp Lenard år 1900. Eftersom effekten uppstod över flera centimeter luft och gav ett större antal positiva joner än negativa, var det naturligt att tolka fenomenet, som J. J. Thomson gjorde, som en Hertz-effekt på de partiklar som fanns i gasen.
1900-taletRedigera
År 1902 observerade Lenard att energin hos enskilda emitterade elektroner ökade med frekvensen (som är relaterad till färgen) hos ljuset. Detta verkade strida mot Maxwells vågteori för ljus, som förutspådde att elektronernas energi skulle vara proportionell mot strålningens intensitet.
Lenard observerade variationen i elektronernas energi med ljusets frekvens med hjälp av en kraftfull elektrisk båglampa som gjorde det möjligt för honom att undersöka stora intensitetsförändringar, och som hade tillräckligt med kraft för att göra det möjligt för honom att undersöka variationen i elektrodpotentialen med ljusfrekvensen. Han fann elektronenergin genom att relatera den till den maximala stopppotentialen (spänningen) i ett fotorör. Han fann att elektronernas maximala kinetiska energi bestäms av ljusets frekvens. En ökning av frekvensen resulterar till exempel i en ökning av den maximala kinetiska energi som beräknas för en elektron vid frigörelse – ultraviolett strålning skulle kräva en högre tillämpad stopppotential för att stoppa strömmen i ett fotorör än blått ljus. Lenards resultat var dock snarare kvalitativa än kvantitativa på grund av svårigheten att utföra experimenten: experimenten måste göras på nyklippt metall så att den rena metallen kunde observeras, men den oxiderades på några minuter även i de partiella vakuum han använde. Den ström som avgavs från ytan bestämdes av ljusets intensitet, eller ljusstyrka: en fördubbling av ljusets intensitet fördubblade antalet elektroner som avgavs från ytan.
Langevins och Eugene Blochs undersökningar har visat att större delen av Lenard-effekten säkerligen beror på Hertz-effekten. Lenard-effekten på själva gasen existerar dock. Återigen upptäckt av J. J. Thomson och sedan mer avgörande av Frederic Palmer, Jr. studerades gasens fotoemission och visade mycket andra egenskaper än de som först tillskrevs den av Lenard.
Å 1900, när den tyske fysikern Max Planck studerade strålning från svarta kroppar, föreslog han i sin artikel ”On the Law of Distribution of Energy in the Normal Spectrum” (Om lagen för fördelning av energi i det normala spektrumet) att energin som bärs upp av elektromagnetiska vågor endast kunde släppas ut i energipaket. År 1905 publicerade Albert Einstein en artikel där han framhöll hypotesen att ljusets energi transporteras i diskreta kvantiserade paket för att förklara experimentella data från den fotoelektriska effekten. Einstein teoretiserade att energin i varje ljuskvant var lika med ljusets frekvens multiplicerad med en konstant, som senare kallades Plancks konstant. En foton över en tröskelfrekvens har den energi som krävs för att kasta ut en enda elektron, vilket skapar den observerade effekten. Detta var ett viktigt steg i utvecklingen av kvantmekaniken. År 1914 stödde Millikans experiment Einsteins modell för den fotoelektriska effekten. Einstein tilldelades 1921 Nobelpriset i fysik för ”hans upptäckt av lagen om den fotoelektriska effekten”, och Robert Millikan tilldelades Nobelpriset 1923 för ”hans arbete om elektricitetens elementarladdning och om den fotoelektriska effekten”. Inom kvantstörningsteorin för atomer och fasta ämnen som påverkas av elektromagnetisk strålning analyseras den fotoelektriska effekten fortfarande vanligen i termer av vågor; de två tillvägagångssätten är likvärdiga eftersom absorption av fotoner eller vågor endast kan ske mellan kvantiserade energinivåer vars energidifferens är lika med fotonenergin.
Albert Einsteins matematiska beskrivning av hur den fotoelektriska effekten orsakades av absorption av ljuskvanta fanns i en av hans Annus Mirabilis-handlingar med namnet ”On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”. I artikeln föreslogs en enkel beskrivning av ljuskvanta, eller fotoner, och man visade hur de förklarade fenomen som den fotoelektriska effekten. Hans enkla förklaring i form av absorption av diskreta ljuskvanta stämde överens med experimentella resultat. Den förklarade varför fotoelektronernas energi endast var beroende av det infallande ljusets frekvens och inte av dess intensitet: vid låg intensitet kunde den högfrekventa källan leverera ett fåtal fotoner med hög energi, medan den lågfrekventa källan vid hög intensitet inte skulle leverera några fotoner med tillräcklig individuell energi för att slita loss några elektroner. Detta var ett enormt teoretiskt språng, men konceptet mötte till en början starkt motstånd eftersom det stod i strid med den vågteori för ljuset som naturligt följde av James Clerk Maxwells ekvationer för elektromagnetism, och mer allmänt med antagandet att energin är oändligt delbar i fysiska system. Även efter att experiment visat att Einsteins ekvationer för den fotoelektriska effekten var korrekta fortsatte motståndet mot idén om fotoner.
Einsteins arbete förutspådde att energin hos enskilda utkastade elektroner ökar linjärt med ljusets frekvens. Kanske överraskande nog hade det exakta förhållandet vid den tidpunkten inte testats. År 1905 visste man att fotoelektronernas energi ökar med ökande frekvens av det infallande ljuset och är oberoende av ljusets intensitet. Hur ökningen sker fastställdes dock inte experimentellt förrän 1914 då Robert Andrews Millikan visade att Einsteins förutsägelse var korrekt.
Den fotoelektriska effekten bidrog till att driva fram det då framväxande konceptet om våg-partikel-dualitet i ljusets natur. Ljuset besitter samtidigt egenskaperna hos både vågor och partiklar, var och en manifesteras beroende på omständigheterna. Effekten var omöjlig att förstå i termer av den klassiska vågbeskrivningen av ljus, eftersom energin hos de emitterade elektronerna inte var beroende av intensiteten hos den infallande strålningen. Den klassiska teorin förutspådde att elektronerna skulle ”samla ihop” energi under en viss tid och sedan sändas ut.