Valosäteellä tarkoitetaan sitä, mitä tapahtuu, kun elektroneja säteilytetään materiaalista, joka on absorboinut sähkömagneettisen säteilyn. Fyysikko Albert Einstein kuvasi vaikutuksen ensimmäisenä ja sai Nobel-palkinnon työstään.
Mikä on valosähköinen vaikutus?
Tieteellisen pisteen yläpuolella olevan energian avulla käytettävää valoa voidaan käyttää elektronien koputtamiseen, vapauttaen ne kiinteästä metallipinnasta, tieteellisen Americanin mukaan. Jokainen valopartikkeli, jota kutsutaan fotoniksi, törmää yhteen elektronin kanssa ja käyttää osan energiastaan elektronin purkamiseen. Loput fotonin energiasta siirtyy vapaaseen negatiiviseen varaukseen, jota kutsutaan fotoelektroniksi.
Tämän toiminnan ymmärtäminen mullisti modernia fysiikkaa. Valosähkösovelluksen sovellukset toivat meille "sähköiset silmäovet", valokuvauksessa käytettävät valomittarit, aurinkopaneelit ja valokopioinnin.
Löytö
Ennen Einsteiniä tutkijat olivat havainneet vaikutuksen, mutta käyttäytyminen hämmensi heitä, koska he eivät ymmärtäneet täysin valon luonnetta. Fyysikot James Clerk Maxwell Skotlannissa ja Hendrik Lorentz Alankomaissa vahvistivat 1800-luvun lopulla, että valo näyttää käyttävän aaltoa. Tämä todistettiin näkemällä, kuinka valoaallot osoittavat häiriöitä, diffraktiota ja sirontaa, jotka ovat yhteisiä kaikentyyppisille aalloille (mukaan lukien veden aallot).
Joten Einsteinin vuonna 1905 esittämä väite, jonka mukaan valo voi toimia myös hiukkassarjoina, oli vallankumouksellinen, koska se ei sopinut klassiseen sähkömagneettisen säteilyn teoriaan. Muut tutkijat olivat postuloineet teoriansa ennen häntä, mutta Einstein oli ensimmäinen, joka selvitti perusteellisesti miksi ilmiö tapahtui - ja sen vaikutuksista.
Esimerkiksi saksalainen Heinrich Hertz näki ensimmäisen valosähkötehosteen vuonna 1887. Hän huomasi, että jos hän loisti ultraviolettivaloa metallielektrodien päälle, hän laski englantilaisen tähtitieteilijän mukaan jännitettä, joka tarvitaan kipinän siirtämiseen elektrodien takana. David Darling.
Sitten vuonna 1899 Englannissa, J.J. Thompson osoitti, että metallipintaan iskevä ultraviolettivalo aiheutti elektronien poistumisen. Määrällinen mittaus valosähköisestä vaikutuksesta saatiin vuonna 1902, kun Philip Lenard (entinen Hertzin avustaja) työskenteli. Oli selvää, että valolla oli sähköisiä ominaisuuksia, mutta mitä tapahtui, oli epäselvää.
Einsteinin mukaan valo koostuu pienistä paketeista, joita aluksi kutsutaan kvantiksi ja myöhemmin fotoneiksi. Ajatuskokeen avulla voidaan ymmärtää, kuinka kvanttit käyttäytyvät valosähkön vaikutuksen alaisena. Kuvittele kaivossa kiertävä marmori, joka olisi kuin atomiin sitoutunut elektroni. Kun fotoni tulee sisään, se osuu marmoria (tai elektronia) antaen sille tarpeeksi energiaa poistuakseen kaivosta. Tämä selittää kevyesti iskevien metallipintojen käyttäytymisen.
Samalla kun nuori sveitsiläinen sveitsiläinen Einstein selitti ilmiötä vuonna 1905, Nobel-palkinnon myöntämiseen hänen työstään kului vielä 16 vuotta. Tämä tapahtui sen jälkeen, kun amerikkalainen fyysikko Robert Millikan ei vain todennut työtä, vaan löysi myös suhteen yhden Einsteinin vakioista Planckin vakioon. Jälkimmäinen vakio kuvaa kuinka hiukkaset ja aallot käyttäytyvät atomimaailmassa.
Lisävarhaisia teoreettisia tutkimuksia valosähköisestä vaikutuksesta suoritti Arthur Compton vuonna 1922 (joka osoitti, että röntgensäteitä voidaan myös pitää fotoneina ja ansaitsi Nobel-palkinnon vuonna 1927), samoin kuin Ralph Howard Fowler vuonna 1931 (joka katsoi metallin lämpötilojen ja valosähkövirtojen välinen suhde.)
Sovellukset
Vaikka fotoelektrisen tehosteen kuvaus kuulostaa erittäin teoreettiselta, sen työssä on monia käytännön sovelluksia. Britannica kuvaa muutamia:
Valosähköisiä soluja käytettiin alun perin valon havaitsemiseksi katodia sisältävän tyhjiöputken avulla elektronien emittoimiseksi ja anodin tuloksena olevan virran keräämiseksi. Nykyään nämä "fotoputket" ovat edenneet puolijohdepohjaisiin fotodiodeihin, joita käytetään sovelluksissa, kuten aurinkokennoissa ja kuituoptisessa tietoliikenteessä.
Valonkorotusputket ovat fotoputken variaatio, mutta niissä on useita metallilevyjä, joita kutsutaan dynodeiksi. Elektronit vapautuvat, kun valo osuu katodeihin. Sitten elektronit putoavat ensimmäiseen dynodiin, mikä vapauttaa enemmän elektronia, jotka putoavat toiseen dynodiin, sitten kolmanteen, neljänteen ja niin edelleen. Jokainen dynode vahvistaa virtaa; Noin 10 dynodin jälkeen virta on riittävän voimakas, että valomittarit havaitsevat jopa yksittäiset fotonit. Esimerkkejä tästä käytetään spektroskopiassa (joka hajottaa valon eri aallonpituuksiksi saadaksesi lisätietoja esimerkiksi tähden kemiallisista koostumuksista) ja tietokoneella suoritetussa aksiaalitomografiassa (CAT), joka tutkii vartaloa.
Muita fotodiodien ja valomodistimien sovelluksia ovat:
- kuvantamistekniikka, mukaan lukien (vanhemmat) televisiokameraputket tai kuvanvahvistimet;
- tutkitaan ydinprosesseja;
- materiaalien kemiallinen analysointi niiden emittoimien elektronien perusteella;
- antaa teoreettista tietoa siitä, kuinka atomien elektronit siirtyvät eri energiatilojen välillä.
Mutta kenties fotoelektrisen tehon tärkein sovellus oli kvanttivallankumouksen aloittaminen, mukaan
Tieteellinen amerikkalainen. Se sai fyysikot ajattelemaan valon luonnetta ja atomien rakennetta aivan uudella tavalla.
