האפקט הפוטו-אלקטרי

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

האפקט הפוטו-אלקטרי (באנגלית: The Photoelectric Effect) הינו פליטה של אלקטרונים ממתכת, כתוצאה מפגיעת קרינה אלקטרומגנטית (לדוגמא: אור נראה) במשטח.

כדי לגרום לפליטת אלקטרונים מחומר מתכתי יש להשקיע אנרגיה. כמות האנרגיה הנדרשת לצורך פליטת אלקטרון נקראת אנרגית הסף. את האנרגיה ניתן לספק במגוון דרכים: לדוגמא, ב- 1883 גילה תומס אדיסון שניתן לגרום לפליטת אלקטרונים ממתכת על ידי חימום. מאוחר יותר, בשנת 1889, גילה היינריך-רודולף הרץ שניתן לגרום לפליטת אלקטרונים ממתכת גם על ידי אור. הרץ חקר את הניצוצות החשמליים בין שני כדורי מתכת טעונים. הוא גילה שקל יותר ליצור ניצוצות אם מקרינים את הכדורים באור חזק. תופעה זו, של פליטת אלקטרונים שמקורה בפגיעת אור, היא הקרויה האפקט הפוטו-אלקטרי.

המערכת שבאמצעותה נחקר האפקט הפוטו-אלקטרי - שני לוחות מתכת (מוצגים באיור על ידי המוט הגלילי והמשטח המעוקל) מחוברים לסוללה ולמד-זרם. במצב ההתחלתי זרם לא זורם במעגל, מאחר שאינו יכול לעבור בין שני הלוחות המתכתיים, ומד הזרם אכן מראה כי אין זרם חשמלי במעגל. כאשר מדליקים את המנורה, אור פוגע במשטח המתכת המעוקל, וגורם לשחרור אלקטרונים. אם האלקטרונים מצליחים להגיע אל המוט הגלילי המרוחק - המעגל החשמלי נסגר, ומד הזרם מראה את עוצמת הזרם החשמלי במעגל.

מרגע שנתגלה האפקט הפוטו-אלקטרי החל מחקר מקיף, שנועד ללמוד את תכונותיו ואת מאפייניו. המערכת שבאמצעותה נחקר האפקט הפוטו-אלקטרי מתוארת בשרטוט משמאל. שני לוחות מתכת (המתוארים בשרטוט על ידי המוט הגלילי והמשטח המעוקל) מחוברים לסוללה ולמד-זרם. במצב ההתחלתי זרם לא זורם במעגל, מאחר שאינו יכול לעבור בין שני הלוחות המתכתיים, ומד הזרם אכן מראה כי אין זרם חשמלי במעגל. כאשר מדליקים את המנורה, אור פוגע במשטח המתכת המעוקל, וגורם לשחרור אלקטרונים. אם האלקטרונים מצליחים להגיע אל המוט הגלילי המרוחק - המעגל החשמלי נסגר, ומד הזרם מראה את עוצמת הזרם החשמלי במעגל.

הסוללה יוצרת מתח חשמלי, המאיץ את האלקטרונים המשוחררים בין שני הלוחות. ניתן לחבר את הסוללה באחת משתי דרכים: כך שתעזור לאלקטרונים המשוחררים להגיע אל מוט המתכת הגלילי (כלומר, תאיץ את האלקטרונים לכיוון המוט הגלילי), או כך שתפריע לאלקטרונים המשוחררים, על ידי כך שתאיץ אותם חזרה לכיוון המשטח ממנו שוחררו.

תכונות של האפקט הפוטו-אלקטרי

לאחר מחקר מפורט של האפקט הפוטו-אלקטרי במאה ה-19, נתגלו התופעות הבאות:

האפקט הפוטו-אלקטרי. עצמת הזרם כתלות בעצמת הסוללה.
  • צבע האור, או תדירות האור, משפיעים על תוצאות הניסוי: כדי שיפלטו אלקטרונים חייבת התדירות להיות גדולה מתדירות סף מסוימת. תדירות הסף תלוייה בסוג המתכת. לדוגמא ייתכן שאור כחול יצליח לשחרר אלקטרונים, אבל אור אדום לא. חשוב לציין, שכל עוד תדירות האור נמוכה מתדירות הסף, לא יזרום כל זרם חשמלי במעגל, גם אם עוצמת האור גבוהה מאוד.
  • אם תדירות האור גדולה מתדירות הסף, ככל שעוצמת האור גדולה יותר כך הזרם החשמלי במעגל גדול יותר: כאשר מגדילים את עוצמת האור גדלה גם האנרגיה הפוגעת במשטח המתכת, ולכן נפלטים יותר אלקטרונים.
  • עצמת הסוללה - אם הסוללה "מסייעת" לאלקטרונים ומאיצה אותם לכיוון המוט המרוחק, אז ככל שעוצמת הסוללה גדלה, כך גדל הזרם החשמלי במעגל. הסיבה לכך הינה, שחלק גדול יותר מן האלקטרונים הנפלטים מצליח להגיע אל המוט המרוחק. בסופו של דבר, כל האלקטרונים שנפלטו מגיעים אל המוט השני, ועוצמת הזרם מתייצבת ולא גדלה יותר.
  • זרם חשמלי זורם במעגל גם כאשר הסוללה "מפריעה" לאלקטרונים להגיע למוט המתכת הרחוק, על ידי כך שהיא מאיצה אותם חזרה אל לוח המתכת ממנו השתחררו. מכאן ניתן להסיק שהאלקטרונים נפלטים מלוח המתכת עם מהירות גדולה, שמאפשרת להם להגיע אל המוט הרחוק למרות ההפרעה. ההסבר לכך הינו, שחלק מאנרגיית האור הפוגע משמשת לשחרור האלקטרונים ממשטח המתכת, וחלקה האחר מספק לאלקטרונים מהירות התחלתית.
  • רק אם המתח החשמלי של הסוללה המפריעה גדול מאוד, מפסיק הזרם לחלוטין. המתח החשמלי הנדרש כדי לעצור את הזרם החשמלי במעגל נקרא מתח העצירה. במצב זה השפעת הסוללה גדולה מספיק כדי לעצור את האלקטרונים למרות המהירות ההתחלתית שהייתה להם.
  • מתח העצירה לא תלוי בעוצמת האור. גם אם נכפיל את עוצמת האור הפוגעת במשטח המתכתי יידרש בדיוק אותו מתח עצירה על מנת להפסיק את הזרם החשמלי. לעומת זאת, מתח העצירה כן תלוי בתדירות האור, ככל שתדירות האור גדלה כך גם מתח העצירה גדל. לדוגמא: מתח העצירה הנדרש עבור אור ירוק קטן ממתח העצירה הנדרש עבור אור כחול.

תוצאות ניסיוניות אלו היוו אתגר קשה לתאוריות שהיו מקובלות במאה ה-19. במיוחד, הפיזיקה שהיתה ידועה במאה ה-19 לא היתה מסוגלת להסביר מדוע צבעים מסוימים גורמים לפליטת אלקטרונים בעוד צבעים אחרים לא משפיעים כלל? כיצד יתכן שהגדלת עוצמת האור לא משנה את מתח העצירה הנדרש?

אינשטיין והאפקט הפוטו-אלקטרי

ההסבר המלא לאפקט הפוטו-אלקטרי ניתן על ידי אלברט אינשטיין בשנת 1905. איינשטיין השתמש בהצעתו של מקס פלאנק (ראו: קרינת גוף שחור) והרחיב אותה: הוא הציע שהאור מורכב מ"חלקיקי אנרגיה" קטנים הקרויים פוטונים. על פי מודל זה, כל פוטון נושא אנרגיה, E, התלויה (בצבע) בתדירות, ν או לסירוגין באורך הגל שלו λ על פי הקשר הקבוע:

E=h\nu=h\frac{c}{\lambda}

כאשר c הינה מהירות האור.

לדוגמא: פוטון אחד של אור אדום נושא אנרגיה של 7\times10^{-20} קלוריות (או 1.8 אלקטרון-וולט), ופוטון של אור כחול נושא אנרגיה של 1\times10^{-19} קלוריות (או 2.8 אלקטרון-וולט).

כאשר האור פוגע במשטח המתכת, למעשה המשטח "מופצץ" על ידי פוטונים בודדים. הרעיון הבסיסי הינו שפוטון בודד פוגע באלקטרון בודד בתהליך שיכול להסתיים בכך שהאלקטרון יקבל את כל האנרגיה של הפוטון, או בכך שלא יקבל אנרגיה כלל.

כאמור, על מנת לשחרר אלקטרון מהמתכת נדרשת אנרגיה הגדולה מאנרגיית הסף. על פי הנוסחה לעיל, אנרגיית הפוטון תלויה בתדירות. לכן קיימת גם תדירות סף: האנרגיה של פוטון בודד צריכה להספיק על מנת לשחרר אלקטרון בודד מהמתכת. אם התדירות נמוכה מדי – פשוט אין לפוטונים מספיק אנרגיה. הגדלת עוצמת האור מגדילה את מספר הפוטונים הפוגעים, אבל מאחר שאף אחד מהם לא יכול לשחרר אלקטרון – לא ייפלטו אלקטרונים.

אם אנרגיית הפוטון גדולה מאנרגיית הסף, עודף האנרגיה הופך למהירות של האלקטרון הנפלט (אנרגיה קינטית). ככל שתדירות האור הפוגע גדלה, כך גדלה האנרגיה של הפוטונים, ולכן גם המהירות של האלקטרונים הנפלטים. ככל שנפלטים אלקטרונים מהירים יותר – כל נדרש מתח עצירה גדול יותר על מנת לבלום אותם: זו הסיבה לכך שמתח העצירה תלוי בתדירות האור הפוגע.

הגדלת עוצמת האור מבלי לשנות את התדירות, מגדילה את מספר הפוטונים הפוגעים ולכן גם את מספר האלקטרונים הנפלטים: לכן, עוצמת הזרם החשמלי תגדל. עם זאת, מאחר שאנרגיית הפוטונים לא השתנתה – גם המהירות של האלקטרונים לא תשתנה: זו הסיבה שמתח העצירה לא תלוי בעוצמת האור.

אלברט איינשטיין זכה בפרס נובל בפיסיקה בשנת 1921, "על תרומתו לפיסיקה התאורטית, ובמיוחד על כך שגילה את חוקי האפקט הפוטו-אלקטרי".

ראו גם

הרצאות וידאו

קישורים חיצוניים

ספרות מקצועית

מחברים


אורלי גנת