Fotoelektrični efekt

Fotoelektrični efekat ili fotoefekt je pojava emisije elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti. Djelovanjem elektromagnetnog zračenja dovoljno kratke valne dužine (npr. svjetlosti ili UV zračenja) dolazi do izbijanja elektrona iz obasjanog materijala (obično kovine). Zračenja veće valne dužine od granične ne izbijaju elektrone, jer tad elektroni ne dobiju dovoljno energije za kidanje veze s atomom.^[1][2]

Efekat je prvi uočio Herc 1887. godine, ali bez objašnjenja. Ajnštajn je 1905. godine objasnio efekat pretpostavkom da je svetlost čestične prirode tj. da se prostire u kvantima nazvanim fotoni. Ta Ajnštajnova pretpostavka bila je 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.

Proučavanje fotoefekta je dovelo do važnog otkrića kvantne prirode svjetlosti i elektrona, te do ideje valno-čestičnog dualizma. Fotoelektrični učinak ima mnoge primene, od kojih je najpoznatija solarna ćelija, koja pretvara svetlost u električnu struju.

1839. Alexandre Becquerel je otkrio fotovoltažni efekt dok je proučavao utjecaj svjetla na elektrode u elektrolitu. Iako to nije fotoefekt, ipak postoji jaka veza između svjetla i električnih karakteristika materijala. 1873. Willoughby Smith je otkrio fotoinduktivitet selenija, dok je ispitivao telegrafske kablove za podmornice.^[3]

1887. Heinrich Hertz je uočio fotoefekt dok je slao i primao elektromagnetske valove. Njegov prijemnik je imao zavojnicu sa razmakom za iskrenje. Kada je prijemnik spremio u kutiju, primjetio je da se iskrenje smanjilo, dok bi se na svjetlu pojačalo.^[4] On je uočio da je fotoefekt uočljiviji ukoliko su elektrode osvjetljene ultraljubičastim zračenjem, jer tad lakše stvaraju iskru. Ultraljubičasto zračenje može se dobiti elektrolučnom svjetiljkom, ili paljenjem magnezija, ili iskrenjem između elektroda cinka ili kadmija.^[5][6]

Između 1888. - 1891., Aleksandar Stoletov je usavršio opremu za generiranje fotoefekta i detaljno proučavao pojavu. Stoletova aparatura sastojala se od dvije elektrode - katode (izrađene od ispitivanog materijala) i anode smještene u vakuumsku cijev, koja je priključena na bateriju, tako da se potenciometrom može mijenjati ne samo vrijednost, nego i napon koji se dovodi. Kada se katoda osvijetli monokromatskom svijetlošću (kroz kvarcni prozor), iz nje se izbijaju elektroni, koji se zatim održavanjem napona ubrzavaju do anode, tad se javlja fotoelektrična struja koja se mjeri miliampermetrom. Osvjetljavajući katodu svjetlošću različitih valnih dužina (tj. različitih frekvencija), Stoletov je utvrdio slijedeće zakonitosti:

1. Da najefikasnije djelovanje ima UV zračenje;
2. Da pod djelovanjem svijetlosti materijal gubi samo negativni električni naboj - elektrone (koje je tek 1903. godine Thomson imenovao kao posebne čestice);
3. Da je jakost struje koja se javlja kod osvjetljavanja katode direktno proporcionalna intenzitetu ulazne svjetlosti.

Na osnovu ovih rezultata, Stolev je kreirao prvu solarnu ćeliju.^[7]

1899. J.J. Thomson je proučavao utjecaj ultraljubičastog svjetla na katodne cijevi.^[8]

1900. Philipp Lenard je otkrio da može ionizirati plinove sa ultraljubičastom svjetlosti. 1902. Lenard je otkrio da se ionizacija plinova povećava ako ga ozrači sa ultraljubičastom svjetlosti veće frekvencije, što nije bilo u skladu sa Maxwellovom valnom teorijom svjetlosti, koja je predviđala da će se energija povećavati sa intenzitetom zračenja.

1905. mladi Albert Einstein uspio je objasniti fotoefekt uvodeći točno određene količine energije ili kvant svjetlosti, koji je kasnije nazvan foton. Na osnovu Planckovog zakona, zaključio je da bi iznos kvanta svjetlosti trebao biti proporcionalan sa frekvencijom svjetlosti i pomnožen sa konstantom, koja se pokusima dobila kao Planckova konstanta. Do fotoefekta je dolazilo samo ako se prešla određena granična frekvencija. Za te rezultate Einstein je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1921.^[9]

Fotoni svjetla imaju točno određenu količinu energije, koja određuje frekvenciju svjetlosti. Ukoliko neki elektron u materijalu upije energiju fotona, pa njegova energija bude veća od izlaznog rada materijala (energija vezanja elektrona za atom), onda elektron bude izbačen iz materijala. Ako je energija ulaznog fotona svjetlosti mala, tada elektron neće imati dovoljno energije da napusti materijal. Ukoliko povećavamo intenzitet energije ulazne svjetlosti, povećati će se i broj izbačenih elektrona, ali se neće povećati energija pojedinog elektrona. To znači, da energija izbačenih elektrona ne ovisi o intenzitetu svjetlosti, već samo o frekvenciji ulaznih fotona. To je u stvari međudjelovanje ulaznih fotona i izbačenih elektrona.

Kada elektron upije energiju fotona, jedan dio energije se troši na oslobađanje elektrona iz materijala, a drugi dio energije daje kinetičku energiju elektronu.

• Za određeni metal i frekvenciju ulazne svjetlosti, kinetička energija izbačenog elektrona je direktno proporcionalna intenzitetu ulazne svjetlosti
• Za određeni metal, postoji granična frekvencija ulazne svjetlosti, ispod koje elektroni ne mogu biti izbačeni.
• Za određeni metal i sa određenim izlaznim radom materijala, povećanjem intenziteta ulazne svjetlosti, povećava se i veličina električne struje, iako napon zaustavljanja ostaje isti.
• Za određeni metal i sa određenim izlaznim radom materijala, povećanjem frekvencije ulazne svjetlosti, povećava se maksimalna kinetička energija kojom su elektroni izbačeni, ali jačina električne struje ostaje ista, dok se povećava napon zaustavljanja.
• Iznad granične frekvencije, maksimalna kinetička energija kojom su elektroni izbačeni ovisi o frekvenciji ulazne svjetlosti, ne o njezinu intenzitetu (ukoliko nije prevelik)
• Zaostajanje između ulazne svjetlosti i emisije elektrona je vrlo malo, oko 10⁻⁹ sekundi

Einsteinova jednadžba daje Zavisnost najveće moguće kinetičke energije elektrona E_k o frekvenciji ulazne svjetlosti f:

${\displaystyle E_{k}=h(f-f_{0})=hf-W_{0}\,}$

gdje je

h - Planckova konstanta,

f₀ - granična frekvencija zavisna o materijalu,

f – frekvencija ulazne svjetlosti, a

hf₀ - jednako izlaznom radu materijala W₀.

Budući da kinetička energija elektrona mora biti pozitivna, to znači da i frekvencija ulazne svjetlosti, mora biti veća od granične frekvencije f₀, da bi se fotoefekt uopće pojavio.^[10]

Druga karakteristika efekta je vezana za kretanje električnih napona koji napuštaju metalnu ploču. To kretanje se može zaustaviti ako se električni naponi koče vanjskim električnim poljem. Pokusi su ukazali da veličina napona kočenja ne zavisi o intenzitetu svjetlosti, već samo o njenoj valnoj dužini. To se također nije moglo objasniti teorijom o svjetlosti kao valu: ona je predviđala da će sa povećanjem intenziteta rasti napon kočenja koji neće zavisiti o valnoj dužini.

Ako je m masa elektrona i v_max je maksimalna brzina izbačenih elektrona, onda vrijedi:

${\displaystyle Maximum\ K.E.\ of\ electron\ =\ {\frac {1}{2}}mv_{\mathrm {max} }^{2}}$

Gornja jednadžba pokazuje da maksimalna brzina emitiranih elektrona ne zavisi o intenzitetu ulazne svjetlosti. Gornju jednadžbu možemo pisati:

${\displaystyle K_{\mathrm {max} }=eV_{0}}$

V₀ - napon zaustavljanja zavisi linijski sa frekvencijom ulaznog svjetla.

Solarna ćelija je poluvodički uređaj koji pretvara solarnu energiju direktno u električnu pomoću fotoelektričnog efekta. Grupe ćelija formiraju solarne module, poznate i kao solarni paneli. Energija proizvedena u solarnim modulima primjer je solarne energije.

Ćelije se označavaju kao fotonaponske ćelije kada izvor svjetlosti nije nužno sunčeva svjetlost. One se koriste za detekciju svjetlosti ili drugih oblika elektromagnetskog zračenja blizu vidljivog spektra, na primjer detektori infracrvenog svjetla, ili mjerenje intenziteta svjetlosti.

Fotomultiplikator je vrlo osjetljivi detektor u području vidljivog, ultraljubičastog i bliskog infracrvenog zračenja. Električni signal koji nastaje na fotosjetljivom sloju pojačava se do 100 milijuna puta, što omogućava registriranje pojedinačnih fotona. Zahvaljujući svojim karakteristikama još uvijek se koristi u fizici, astronomiji, medicini i filmskoj tehnici (telekino), iako je u nekim primjenama zamijenjen s poluvodičkim elementima kao što je lavinska fotodioda.

Elektroskop sa zlatnim listom se koristi za otkrivanje statičkog elektriciteta. Ukoliko se glava elektroskopa naelektrelizira, onda se zlatni list odmakne od metalne šipke, budući da imaju isti električni napon. Elektroskop se može iskoristiti za ispitivanje fotoefekta. Ukoliko glavu elektroskopa osvijetlimo sa ultraljubičastom svjetlošću, doći će do izbijanja elektrona i zlatni listić će se približiti metalnoj šipki. Ovaj pokus je bitan za određivanje granične frekvencije ulazne svjetlosti kod fotoefekta.^[11]

Fotoelektronska spektroskopija nije klasična spektroskopija jer ne promatra elektromagnetsko zračenje koje je molekula apsorbirala ili emitirala, već promatra elektrone koje je molekula ispustila uslijed djelovanja elektromagnetskog zračenja. Kako elekromagnetsko zračenje mora imati dovoljnu energiju za ionizaciju molekule, koristi se vakuumsko ultraljubičasto zračenje. Zračenje mora biti monokromatsko. Rjeđe se koristi i rendgensko zračenje. Vakuumsko ultraljubičasto zračenje ima dovoljnu energiju za ionizaciju valentnih elektrona, pa se primjenom tog zračenja, mogu vidjeti samo ionizacije valentnih elektrona te odrediti energije njihovih orbitala. Primjenom rendgenskog zračenja, mogu se ionizirati i sržni elektroni. Primjenom rendgenskog zračenja ne može se postići razlučivanje, kao primjenom vakuumskog ultraljubičastog zračenja. Kako elektroni utječu jedni na druge, energije sržnih elektrona u manjoj mjeri ovise i o vanjskim elektronima, a tako i o elektronskom okruženju atoma. Na taj način je moguće analizirati strukture molekula. Fotoelektronska spektroskopija koja koristi rendgensko zračenje, naziva se i ESCA (engl. Electron Spectroscopy for Chemical Analysis). Fotoelektronska spektroskopija se zasniva na fotoelektričnom efektu. Energija elektrona, izbačenog iz molekule je jednaka energiji elektromagnetskog zračenja, umanjenoj za energiju vezanja elektrona koji je izbačen, te energija vibracije i rotacije molekule. U fotoelektronskom spektru se vide energije elektrona, a ako spektar ima dovoljno veliko razlučivanje, moguće je vidjeti i vibracijsku strukturu.^[12][13]

Fotoefekt uzrokuje da se plohe kod svemirske letjelice, koja su izložene Sunčevom zračenju, pozitivno nabiju. To može biti i do 10-tak volti. Problem je što je druga strana letjelice obično negativno nabijena (nekoliko tisuća volti) zbog prisutne plazme, pa dolazi do pojave električne struje, koja može oštetiti neke električne dijelove.^[14]

Fotoni koji udaraju u tanki film alkalijskih metala ili poluvodičkog materijala, kao što je galij arsenid u cijevi za pojačavanje slike, mogu izbaciti elektrone zbog fotoefekta. Zatim se elektroni ubrzavaju sa električnim poljem, do ekrana sa fosfornim slojem, pretvarajući elektrone nazad u fotone, koji stvaraju pojačanu sliku u uređajima za noćno gledanje.

• Svetlost
• Foton
• Valno-čestični dualizam