פיזיקה קוונטית/האפקט הפוטואלקטרי

האפקט הפוטואלקטרי - קרינה אלקטרומגנטית שבאה משמאל גורמת לפליטת אלקטרונים לימין ממשטח מתכת

תיאור הניסוי

בשנת 1887 גילה היינריך הרץ כי כאשר מקרינים מתכת באור אולטרא-סגול, האוויר שמסביבה נטען במטען שלילי. בהמשך המשיכו חוקרים ובראשם פיליפ לנארד וג'וזף ג'ון תומסון לחקור את התופעה אשר כונתה האפקט הפוטואלקטרי. הם גילו כי:

• עבור כל מתכת קיימת תדירות סף, אשר אור בעל תדירות נמוכה יותר בכל עוצמה לא יגרום לפליטת אלקטרונים ממנה.
• מספר האלקטרונים הנפלטים מהמתכת תלוי בעוצמת האור, אך לא כן מהירותם.
• מהירות האלקטרונים הנפלטים גדלה עם תדירות האור הפוגע.
• פליטת האלקטרונים היא מיידית (מרגע הדלקת האור) ואין השהיה, גם כאשר עוצמת האור נמוכה.

הסתירה על התורה הקלסית

האלקטרון כבר היה ידוע באותו זמן,לכן ניתן היה להניח על פי התורה הקלסית, כי האנרגיה של גל אלקטרומגנטי יכולה לשחרר אלקטרון מהקשר שלו עם המתכת. עם זאת את הגילויים הרשומים לא היה ניתן להסביר באמצעות התאוריה הגלית של האור, הנובעת ממשוואות מקסוול. הסתירות הן:

• ע"פ התורה הקלסית, אין קשר בין האנרגיה לתדירות. בכל תדירות תועבר בסופו של דבר אנרגייה למתכת בכדי לשחרר אלקטרון.
• ע"פ התורה הקלסית, ככל שעולה עוצמת האור כך גדלה כמות האנרגיה המוזרמת לאלקטרונים ולכן באופן הסתברותי צריכים להיות אלקטרונים שמקבלים אנרגייה קינטית רבה ומהירות גדולה.
• ע"פ התורה הקלסית, שוב אין קשר בין תדירות לאנרגייה ולמהירות.

ההסבר של איינשטיין

את ההסבר לתופעות אלה נתן כאמור אלברט איינשטיין בשנת 1905. הוא השתמש בהנחה אותה הציע מקס פלנק על מנת להסביר את אופי הקרינה של גוף שחור, על פיה האור מגיע במנות מסוימות של אנרגיה (קוואנט) הפרופורציונאלית לתדירות $\ f$ של האור:

$\ E_{ph}=hf$

(כאשר $\ h$ מסמן את אותו קבוע אשר קבע פלאנק.

איינשטיין לקח רעיון זה צעד אחד קדימה, והציע שמדובר ביותר מאשר כמויות אנרגיה, ושבכל הנוגע לאפקט הפוטואלקטרי יש להסתכל על האור כעל אוסף חלקיקים (פוטונים), אשר לכל אחד מהם אנרגיה, כאמור בהנחה של פלאנק. השערה זו מניחה שבעת פגיעת פוטון במתכת, נעלם הפוטון ומועברת כל האנרגיה שלו לאחד האלקטרונים במתכת. האנרגיה הדרושה עבור האלקטרון על מנת להיפלט מהמתכת משתנה מאלקטרון אחד לשני, אולם עבור כל מתכת קיימת אנרגיה מינימלית הקרויה "פונקציית העבודה" $\ W$. לכן, אלקטרונים יכולים להיפלט מהמתכת רק כאשר האנרגיה של כל פוטון גדולה מפונקציית העבודה. במקרה כזה, שארית האנרגיה הופכת לאנרגיה הקינטית של האלקטרון:

$\ E_{k}\leq hf-W$

בעזרת התאוריה הזו הוסברו כל הקשיים שלא היו ניתנים להסבר על ידי הסתכלות על האור כעל גל בלבד:

• כאשר $\ hf<W$, אין לפוטון אנרגיה מספיקה להוצאת אלקטרון מהמתכת. זה המקור לתדירות הסף שנמצאה עבור המתכת.
• הגדלת עוצמת האור משנה רק את מספר הפוטונים, אך לא את האנרגיה של כל אחד מהם. לכן היא מגדילה את מספר האלקטרונים הנפלטים, אבל לא משפיעה על האנרגיה הקינטית של כל אחד מהם.
• כאשר תדירות האור גדלה, האנרגיה של כל אחד מהפוטונים גדלה גם היא, ולכן גדלה האנרגיה הקינטית של האלקטרון הנפלט.
• קצב הפליטה נקבע על ידי האינטראקציה של הפוטון עם האלקטרון. למרות שהקצב הממוצע של מעבר האנרגיה למתכת מאוד נמוך, האנרגיה אינה מתחלקת בין כל האלקטרונים, אלא מוענקת רק לחלק קטן מהם, אלה בהם פוגעים הפוטונים. לכן מן שבו מגיע הפוטון הראשון למתכת הוא נבלע ומעביר את האנרגייה שלו לאלקטרון והפליטה תחל מיידית.