Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je emisija elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti. Otkrio ga je sasvim slučajno Herc 1887. godine. Pre Ajnštajna fizičare je bunilo to što više svetlosti izbija više elektrona ali im ne menja energiju. Na energiju elektrona utiče boja (talasna dužina), a ne intenzitet svetlosti. Ajnštajn je sve nedoumice rešio 1905. godine pretpostavkom da je svetlost čestične prirode tj. da se svetlost prostire u kvantima koji su nazvani fotoni. Više fotona izbacuje i više elektrona ali energija izbačenih elektrona može da poraste samo ako poraste i energija fotona. Ta Ajnštajnova pretpostavka bila je tada toliko radikalna da joj se suprotstavljao i sam Plank, začetnik kvantne teorije. Godine 1921. Ajnštajnu je dodeljena Nobelova nagrada za fiziku za objašnjenje fotoelektričnog efekta.

Emisija elektrona sa metalne ploče izazvana kvantima svetlosti – fotonima.

Šema za vršenje eksperimenta

Emisija provodnih elektrona iz tipičnih metala zahteva nekoliko kvanta elektron-volta (eV) svetlosti, što odgovara kratkotalasnoj vidljivoj ili ultraljubičastoj svetlosti. U ekstremnim slučajevima, emisije se indukuju sa fotonima koji se približavaju nultoj energiji, kao u sistemima sa negativnim afinitetom prema elektronima i emisijom iz pobuđenih stanja, ili nekoliko stotina keV fotona za elektrone u jezgru u elementima sa visokim atomskim brojem. Proučavanje fotoelektričnog efekta dovelo je do važnih koraka u razumevanju kvantne prirode svetlosti i elektrona i uticalo na formiranje koncepta dualnosti talas–čestica. Drugi fenomeni gde svetlost utiče na kretanje električnih naelektrisanja uključuju fotokonduktivni efekat, fotonaponski efekat i fotoelektrohemijski efekat.

Emisioni mehanizam

Fotoni svetlosnog snopa imaju karakterističnu energiju, koja se naziva energija fotona, koja je proporcionalna frekvenciji svetlosti. U procesu fotoemisije, kada elektron unutar nekog materijala apsorbuje energiju fotona i dobije više energije od energije vezivanja, verovatno će biti izbačen. Ako je energija fotona preniska, elektron ne može da pobegne iz materijala. Pošto će povećanje intenziteta niskofrekventne svetlosti samo povećati broj fotona niske energije, ova promena intenziteta neće stvoriti nijedan foton sa dovoljno energije da izbaci elektron. Štaviše, energija emitovanih elektrona neće zavisiti od intenziteta dolazne svetlosti date frekvencije, već samo od energije pojedinačnih fotona.

Dok slobodni elektroni mogu da apsorbuju bilo koju energiju kada su ozračeni sve dok ovo bude praćeno trenutnim ponovnim emitovanjem, kao u Komptonovom efektu, u kvantnim sistemima se apsorbuje sva energija iz jednog fotona – ako je proces dozvoljen od strane kvantne mehanike – ili do toga ne dolazi. Deo dobijene energije se koristi za oslobađanje elektrona od njegovog atomskog vezivanja, a ostatak doprinosi kinetičkoj energiji elektrona kao slobodne čestice. Pošto elektroni u materijalu zauzimaju mnogo različitih kvantnih stanja sa različitim energijama vezivanja, i zato što mogu da podnesu gubitke energije na izlasku iz materijala, emitovani elektroni će imati raspon kinetičkih energija. Najveću kinetičku energiju imaće elektroni iz najviših zauzetih stanja. U metalima, ti elektroni će biti emitovani sa Fermijevog nivoa.

Kada se fotoelektron emituje u čvrstu materiju, a ne u vakuum, često se koristi termin interna fotoemisija, a emisija u vakuum se razlikuje kao spoljašnja fotoemisija.

Istorijski razvoj

Herc je, 1887. godine primetio da varnično pražnjenje između cinkanih kuglica postaje intenzivnije ukoliko se jedna od njih osvetli ultraljubičastim zračenjem. Ispostavilo se da je suština ove pojave, nazvane fotoefektom, udaljavanje elektrona sa površine metala pod dejstvom UV zračenja. Detaljnu metodiku za ispitivanje ove pojave dao je ruski fizičar Stoletov. Njegova aparatura sastojala se od dve elektrode - katode, izgrađene od ispitivanog materijala, i anode, koje se nalaze u vakuumnoj cevi i priključene su na bateriju, tako da se potenciometrom može menjati ne samo vrednost, nego i znak napona U, koji se dovodi. Kada se katoda osvetli monohromatskom svetlošću (kroz kvarcni prozor), sa nje se izbijaju elektroni, koji se, zatim, održavanjem napona ubrzavaju do anode. Javlja se fotoelektrična struja koja se meri miliampermetrom. Osvetljavajući katodu svetlošću različitih talasnih dužina (tj. različitih frekvencija), Stoletov je utvrdio sledeće zakonomernosti:

1. Da najefektivnije delovanje ima UV zračenje;
2. Da pod dejstvom svetlosti materijal gubi samo negativna naelektrisanja (1897. godine Tomson je izmerio specifično negativno naelektrisanje, naelektrisanje čestice, koja je 1903. godine nazvana elektron);
3. Da je jačina struje koja se javlja usled osvetljavanja katode direktno proporcionalna intenzitetu upadne svetlosti.

Karakteristike

Na osnovu izučavanja zavisnosti fotostruje I, obrazovane elektronima emitovanim sa katode pod dejstvom svetlosti, od napona U između elektroda, različitih materijala u vakuumu, za različite frekvencije upadnog zračenja, utvrđena su tri osnovna zakona spoljašnjeg fotoefekta:

1. Stoletov zakon: pri fiksiranoj vrednosti frekvencije upadne svetlosti, broj fotoelektrona, istrgnutih u jedinici vremena, proporcionalan je intenzitetu svetlosti (jačina fotostruje zasićenja proporcionalna je energetskoj osvetljenosti katode);
2. Maksimalna početna brzina (maksimalna kinetička energija) fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom;
3. Za svaki materijal postoji crvena granica fotoefekta, tj. minimalna frekvencija svetlosti (koja zavisi od hemijske prirode materijala i stanja njegove površine), ispod koje je fotoefekat nemoguć.

Problem sa tačke gledišta klasične elektrodinamike

Objašnjenje fotoefekta sa talasne tačke gledišta, na prvi pogled, ne bi trebalo da predstavlja poteškoće. Zaista, pod dejstvom polja svetlosnog talasa, u metalu se javljaju prinudne oscilacije elektrona, čije su amplitude (npr. pri rezonanci) dovoljno velike da elektroni napuste metal (tada se i primećuje fotoefekat). Kinetička energija elektrona istrgnutog iz metala trebalo bi da zavisi od intenziteta upadne svetlosti, jer bi sa povećanjem intenziteta upadne svetlosti elektronu trebalo da se predaje više energije. Ali, ovaj zaključak protivureči drugom zakonu fotoefekta. Naime, po talasnoj teoriji, energija, koja se predaje elektronima, proporcionalna je intenzitetu svetlosti. Onda bi svetlost bilo koje frekvencije, ali dovoljno velikog intenziteta, morala da otrže elektrone iz metala; drugim rečima, crvena granica fotoefekta ne treba da postoji, što protivureči trećem zakonu fotoefekta. Pored toga, talasna teorija nije mogla da objasni bezinertnost (trenutnu pojavu fotoefekta, tj. to što ne postoji merljivo vremensko kašnjenje od trenutka osvetljavanja metala do detektovanja fotoelektrične struje) fotoefekta, utvrđenog eksperimentima. Na taj način, fotoefekat je neobjašnjiv sa tačke gledišta talasne teorije svetlosti.

Ovde je trebalo odlučno raskinuti sa starom teorijom, i tada je, u čuvenom radu iz 1905. godine, Ajnštajn, kao mladi činovnik instituta u Bernu, izložio vrlo smelu hipotezu.

Ajnštajnova jednačina spoljašnjeg fotoefekta

Ajnštajn je pretpostavio da se svetlosni talas sastoji od velikog broja kvanata (koji su tek 1926. godine dobili ime fotoni). Saglasno Ajnštajnu, svetlost frekvencije ν ne samo da se ispušta u pojedinačnim porcijama - kvantima, kako je to već ranije postavio Plank, već se i prostire u prostranstvu i apsorbuje supstancom u pojedinačnim kvantima, čija je energija E=hν. Na taj način prostiranje svetlosti treba razmatrati ne kao neprekidan talasni proces, nego kao protok lokalizovanih, u prostoru diskretnih, svetlosnih kvanata, koji se kreću brzinom prostiranja svetlosti u vakuumu.

Energijski bilans pri fotoefektu može se izraziti kao:

$h\nu =A_{j}+A_{i}+eU_{z}\,\!$

gde su:

• $A_{j}$ - jonizaciona energija potrebna da elektron napusti atom (za metale se ona može smatrati jednakom nuli, jer metal sadrži veliki broj slobodnih elektrona);
• $A_{i}$ - izlazni rad elektrona iz materijala, koji predstavlja minimalnu energiju koja je potrebna da bi elektron napustio površinu određenog materijala;
• $eU_{z}$ - kinetička energija fotoelektrona.

Za metale, prethodna jednačina ima oblik:

$h\nu =A_{i}+{\frac {mv^{2}}{2}}$.

Na osnovu prethodne relacije, minimalna vrednost frekvencije $\nu _{0}$ upadnog ugla talsa, pri kojoj može doći do fotoefekta, iznosi:

$A_{i}=h\nu _{0}={\frac {hc}{\lambda _{0}}}$.

Maksimalna talasna dužina svetlosti $\lambda _{0}$ pri kojoj može doći do fotoefekta, je crvena granica.

Objašnjenje fotoefekta je krajnje jednostavno: pri apsorpciji, foton predaje svu svoju energiju elektronu, trenutno, i ako je ova energija dovoljno velika da elektron raskine veze koje ga drže u metalu, on iz njega izleće. Kako je verovatnoća da jedan elektron primi energiju od dva fotona zanemarljivo mala, svaki oslobođeni elektron primio je energiju od samo jednog fotona. Zato broj oslobođenih elektrona treba da bude proporcionalan broju apsorbovanih fotona, odnosno proporcionalan intenzitetu upadnog talasa. Ali, kako energija elektrona koji izleće zavisi od energije samo jednog fotona (a svi fotoni su iste energije), sledi da energija fotoelektrona treba da pokazuje linearnu zavisnost od frekvencije talasa, a da uopšte ne zavisi od intenziteta talasa.

Besprekorna Ajnštajnova relacija za fotoefekat morala je da sačeka svoju potvrdu punih 11 godina, kada je Milikan, 1916. godine, uspeo da pomoću dosta komplikovane aparature potvrdi Ajnštajnovu hipotezu o kvantima svetlosti, i da sa velikom tačnošću i on odredi Plankovu konstantu.

Tipovi

Danas se razlikuju tri vida fotoefekta: spoljašnji, unutrašnji i ventilni.

Spoljašnji fotoefekat

Spoljašnjim fotoefektom (koji se, takođe, naziva i samo fotoefekat) nazvana je pojava ispuštanja (udaljavanja) negativnog naelektrisanja (konkretno elektrona) sa površine materijala koji je izložen dejstvu elektromagnetskog zračenja. Spoljašnji fotoefekat primećuje se kod čvrstih tela (metala, poluprovodnika, dielektrika), a takođe i u gasovima na pojedinačnim atomima i molekulima (fotojonizacija).

Unutrašnji fotoefekat

Unutrašnji fotoefekat predstavlja pojavu da pod dejstvom elektromagnetskog zračenja dolazi do prelaska elektrona unutar poluprovodnika ili dielektrika, iz vezanih stanja u slobodna, bez njihovog izletanja van ovih materijala. Kao rezultat toga, koncentracija nosioca struje (elektrona) unutar materijala raste, što dovodi do pojave fotoprovodljivosti (povećanja elektroprovodnosti poluprovodnika ili dielektrika pri njihovom osvetljavanju), tj. do pojave elektromotorne sile.

Ventilni fotoefekat

Ventilni fotoefekat je jedan oblik unutrašnjeg fotoefekta, tačnije pojava fotoelektromotorne sile pri osvetljavanju kontakta dva različita materijala - dva različita poluprovodnika ili poluprovodnika i metala. Ventilni fotoefekat otvara puteve za direktno preobražavanje sunčane energije u električnu.

Primena fotoefekta

• spoljašnjeg: u vakuumnim fotoelementima i u fotomultiplikatorima;
• unutrašnjeg: u fotootpornicima ili u poluprovodničkim fotoelementima;
• ventilnog: u fotoelementima sa zakočnim slojem ili ventilnim fotoelementima.

Literatura

• Macura, Slobodan; Radić-Perić, Jelena (2004). Atomistika. Beograd: Fakultet za fizičku hemiju Univerziteta u Beogradu/Službeni list. str. 231. 

Spoljašnje veze

• Astronomy Cast "http://www.astronomycast.com/2014/02/ep-335-photoelectric-effect/". AstronomyCast.
• Nave, R., "Wave-Particle Duality". HyperPhysics.
• "Photoelectric effect". Physics 2000. University of Colorado, Boulder, Colorado. (page not found)
• ACEPT W3 Group, "The Photoelectric Effect". Department of Physics and Astronomy, Arizona State University, Tempe, AZ.
• Haberkern, Thomas, and N Deepak "Grains of Mystique: Quantum Physics for the Layman". Einstein Demystifies Photoelectric Effect, Chapter 3.
• Department of Physics, "The Photoelectric effect Arhivirano 2009-08-01 na sajtu Wayback Machine". Physics 320 Laboratory, Davidson College, Davidson.
• Fowler, Michael, "The Photoelectric Effect". Physics 252, University of Virginia.
• Go to "Concerning an Heuristic Point of View Toward the Emission and Transformation of Light" to read an English translation of Einstein's 1905 paper. (Retrieved: 2014 Apr 11)
• http://www.chemistryexplained.com/Ru-Sp/Solar-Cells.html
• Photo-electric transducers: http://sensorse.com/page4en.html
• "HTML 5 JavaScript simulator" Open Source Physics project
• "Photoelectric Effect". The Physics Education Technology (PhET) project. (Java)
• Fendt, Walter, "The Photoelectric Effect". (Java)
• "Applet: Photo Effect Arhivirano 2010-03-14 na sajtu Wayback Machine". Open Source Distributed Learning Content Management and Assessment System. (Java)