Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μια κβαντική διεργασία κατά την οποία απελευθερώνονται ηλεκτρόνια από μια επιφάνεια αγωγού όταν προσπέσει σε αυτή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας τέτοιας ώστε τα ηλεκτρόνια να κατορθώσουν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα "εγκλωβίζει" στην επιφάνεια αυτή. Τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να παραχθεί ηλεκτρικό ρεύμα.

Εφαρμογές του Φωτοηλεκτρικού φαινομένου απαντώνται στα φωτοκύταρα ή φωτοστοιχεία, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία, τα ηλιακά στοιχεία κ.ά.

Ιστορικό

Παρατηρήθηκε πρώτη φορά από τον Χέρτζ τυχαία το 1887. Παρατήρησε ότι ένας σπινθήρας μπορούσε να προκληθεί ευκολότερα μεταξύ δυο ηλεκτρικά φορτισμένων σφαιρών αν οι επιφάνειες τους φωτίζονται από την λάμψη κάποιου άλλου σπινθήρα. Η ύπαρξη του φράγματος δυναμικής ενέργειας ήταν ήδη γνωστή από το 1883, όταν ο Τόμας Έντισον ανακάλυψε την Θερμιονική εκπομπή και αποκάλυψε ότι χρειάζεται μια ελάχιστη ενέργεια που καλείται Έργο εξαγωγής και συμβολίζεται με b. Το φαινόμενο μελετήθηκε λεπτομερώς από τους Βίλχελμ Χάλβακς (Wilhelm Hallwachs) και Φίλιπ Λέναρντ από το 1886 εώς το 1900.

Πείραμα Βίλχελμ Χάλβακς και Φίλιπ Λέναρντ

Δημιούργησαν μια Φωτολυχνία με δυό ηλεκτρόδια την άνοδο και την κάθοδο και τα τοποθέτησαν σε ένα γυάλινο σωλήνα στο εσωτερικό του οποίου επικρατούσε κενό. Τα συνέδεσαν με μια πηγή διαφοράς δυναμικού δημιουργώντας ηλεκτρικό πεδίο με κατεύθυνση από την άνοδο προς την κάθοδο. Έριξαν φως στο σωλήνα και η φωτοευαίσθητη κάθοδος προκάλεσε ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα.

Μετά την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου το 1897 κατέστη σαφές πως το φως προκαλεί εκπομπή ηλεκτρονίων που ωθούνται προς την άνοδο λόγω:

1. του ηλεκτρικού πεδίου

2. της αρκετά μεγάλης ταχύτητας που αναπτύσουν.

Ανακαλύφθηκε επίσης ότι όταν προσπίπτει μονοχρωματικό φως μικρότερο μιας συχνότητας που ονομάστηκε Συχνότητα Κατωφλίου δεν εκδηλώνεται το φαινόμενο. Αυτό δεν μπόρεσαν να το εξηγήσουν με την κλασική φυσική της εποχής τους.

Νόμοι του Φωτοηλεκτρικού Φαινομένου

Πειραματικά έχει διαπιστωθεί ότι για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ισχύουν οι παρακάτω νόμοι:

* Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο συμβαίνει μόνο όταν η προσπίπτουσα στη μεταλλική επιφάνεια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία έχει συχνότητα μεγαλύτερη ή ίση από μια ορισμένη τιμή. Η τιμή αυτή ονομάζεται οριακή συχνότητα ή διαφορετικά Συχνότητα κατωφλίου (σύμβολο ).

* Αν η συχνότητα της ακτινιβολίας είναι τέτοια που μπορεί να προκαλέσει εξαγωγή ηλεκτρονιών τότε ο αριθμός των ηλεκτρoνίων που εκπέμπονται είναι ανάλογος της έντασης (σύμβολο ) της προσπίπτουσας ακτινοβολίας.

* Η εκπομπή φωτοηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό της επιφάνειάς του (για την ακρίβεια ο χρόνος από το φωτισμό του μετάλλου μέχρι την εκπομπή φωτοηλεκρονίων είναι μικρότερος του 10^-9s).

* Η μέγιστη κινητική ενέργεια με την οποία τα φωτοηλεκτρόνια εγκαταλείπουν το μέταλλο είναι Γραμμική συνάρτηση της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, εξαρτάται από το έργο εξαγωγής του μετάλλου αλλά είναι ανεξάρτητη της έντασης της ακτινοβολίας.

Αδυναμίες της Κλασσικής Φυσικής στην ερμηνεία του Φωτοηλεκτρικού φαινομένου

Η κλασσική φυσική υποστηρίζει ότι ένα σώμα απορροφά ή εκπέμπει ενέργεια κατά τρόπο συνεχή και έτσι αδυνατεί να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Συγκεκριμένα:

* Η κλασσική φυσική δεν προβλέπει την ύπαρξη συχνότητας κατωφλίου. Αντίθετα προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων είναι δυνατή για οποιαδήποτε συχνότητα εφόσον περνούσε αρκετός χρόνος φωτισμού του μετάλλου. Στην πραγματικότητα όμως αν η συχνότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας είναι μικρότερη της συχνότητας κατωφλίου όσος χρόνος και να περάσει τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να απορροφήσουν αρκετή ενέργεια ώστε να διαφύγουν από το μέταλλο.

* Η κλασσική φυσική προβλέπει ότι η εκπομπή ηλεκτρονίων από το μέταλλο γίνεται μετά από την παρέλευση ορισμένου χρονικού διαστήματος από τη στιγμή φωτισμού του μέχρι να αποκτήσουν αρκετή κινητική ενέργεια. Στην πραγματικότητα όμως τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σχεδόν ταυτόχρονα με το φωτισμό του μετάλλου ακόμα και όταν η ένταση της ακτινοβολίας είναι μικρή.

* Η κλασσική φυσική προβλέπει ότι η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων αυξάνεται όσο αυξάνεται η ένταση της προσπίτουσας ακτινοβολίας. Στην παραγματικότητα όμως η μέγιστη κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων φωτοηλεκτρονίων βρέθηκε να είναι ανεξάρτητη της έντασης. Βρέθηκε ότι εξαρτάται μόνο από τη συχνότητα της ακτινοβολίας.

Ερμηνεία

Η ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε το 1905 από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν που πήρε το βραβείο Νόμπελ για αυτή του την εργασία. Για να ερμηνεύσει το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι η ενέργεια ενός ηλεκτρομαγνητικού κύματος δεν είναι ισοκατανεμημένη στο κυματικό μέτωπο αλλά μεταφέρεται σε διακριτές ποσότητες που ονομάζονται φωτόνια. Η διαπίστωση αυτή αποτέλεσε, μαζί με την ερμηνεία της ακτινοβολίας του μέλανος σώματος από τον Πλανκ και την παρατήρηση του φαινομένου Κόμπτον (Compton) το θεμέλιο της θεωρίας για τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό του φωτός αλλά και της πρώιμης Κβαντικής Μηχανικής. Έτσι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας αποτελείται από μια δέσμη φωτονίων που όλα έχουν ενέργεια:

Η ολική ενέργεια της δέσμης που αποτελείται από n φωτόνια είναι:

Ο Αϊνστάιν θεώρησε ότι κάθε φωτόνιο όταν δίνει την ενέργειά του τη δίνει ολόκληρη και μόνο σε ένα ηλεκτρόνιο κάθε φορά και επιπλεόν μόνο εάν είναι αρκετή για να απελευθερώσει το ηλεκτρόνιο από τις ελκτικές δυνάμεις του μετάλλου. Έτσι από την ενέργεια του φωτονίου μέρος χρησιμοποιείται για να υπερνικηθούν οι ελκτικές δυνάμεις του μετάλλου και η υπόλοιπη μένει στο ηλεκτρόνιο ως κινητική ενέργεια. Έτσι έχουμε την ακόλουθη εξίσωση η οποία ονομάζεται και φωτοηλεκτρική εξίσωση του Άινσταιν:

Αύγουστος Ρίγκι (Augusto Righi)

Scientific-web.com

Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License