האפקט הפוטואלקטרי

האפקט הפוטואלקטרי (בעברית: התוצא החשמלורי) הוא תופעה פיזיקלית שבה נפלטים אלקטרונים מפני מתכת כאשר פוגעת בה קרינה אלקטרומגנטית ונבלעת בה. האלקטרונים אשר נפלטים הופכים לענן אלקטרונים או, כאשר התופעה מתרחשת בשפופרת, עוברים מן הקתודה לאנודה.

להבנת האפקט הפוטואלקטרי הייתה חשיבות רבה בהתפתחות הפיזיקה המודרנית ובגיבוש תורת הקוונטים, בהבנת האופי החלקיקי של האור, ובגיבוש מושג הפוטון.

ההסבר שנתן אלברט איינשטיין לאפקט זה בשנת 1905 זיכה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.

גילוי האפקט

בשנת 1887 גילה היינריך הרץ כי כאשר מקרינים אור על-סגול על מתכת, האוויר שמסביבה נטען במטען חשמלי שלילי. תופעה זו התגלתה במסגרת מחקר על התפרקות חשמלית בין לוחות מוליכים, שבמהלכו הבחין הרץ שהקרנת המתכת באור אולטרה-סגול גורמת להגדלת ההתפרקות החשמלית.

בהמשך השתמשו חוקרים, ובראשם פיליפ לנארד וג'יי ג'יי תומסון, בשפופרת קתודית על מנת לחקור את האפקט הפוטואלקטרי. הם גילו כי:

מספר האלקטרונים הנפלטים מהמתכת תלוי בעוצמת האור, אך לא כן מהירותם.
מהירות האלקטרונים הנפלטים גדלה ככל שתדירות האור הפוגע גדלה.
לכל מתכת קיימת תדירות סף, אשר אור בעל תדירות נמוכה יותר לא יגרום לפליטת אלקטרונים ממנה, ללא תלות בעוצמת האור.
פליטת האלקטרונים היא מיידית (מרגע תחילת הקרנת האור) ואין השהיה, גם כאשר עוצמת האור נמוכה.

לא היה ניתן להסביר גילויים אלה באמצעות התאוריה הגלית של האור, הנובעת ממשוואות מקסוול, ובמיוחד לא ניתן היה לחשב (או להסביר) את תדירות הסף הנדרשת. בנוסף, העובדה כי הפליטה אירעה באופן מיידי לא התיישבה עם החישובים התאורטיים שהראו שבקצב העברת האנרגיה על ידי הגל האלקטרומגנטי יעבור זמן רב עד שהאלקטרונים ירכשו את האנרגיה הדרושה להם על מנת להיפלט מהמתכת.

ההסבר של איינשטיין

את ההסבר לתופעות אלה נתן בשנת 1905 אלברט איינשטיין. הוא השתמש בהנחה שהציע מקס פלאנק בשנת 1900 על מנת להסביר את אופי הקרינה של גוף שחור, על פיה האור מגיע במנות מסוימות של אנרגיה, כאשר האנרגיה של כל מנה כזו (קוואנט) פרופורציונלית לתדירות $\ f$ של האור:

\ E_{ph}=hf

(כאשר $\ h$ מסמן את קבוע פלאנק)

איינשטיין קידם 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 וכל האנרגיה שלו מועברת לאחד האלקטרונים במתכת. האנרגיה הדרושה עבור האלקטרון על מנת להיפלט מהמתכת משתנה מאלקטרון אחד לשני, אולם עבור כל מתכת קיימת אנרגיה מינימלית הקרויה "פונקציית עבודה" $\ W/B$ . 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 תאוריה זו הוסברו כל הקשיים שלא היו ניתנים להסבר על ידי הסתכלות על האור כעל גל בלבד:

הגדלת עוצמת האור משנה רק את מספר הפוטונים, אך לא את האנרגיה של כל אחד מהם. לכן היא מגדילה את מספר האלקטרונים הנפלטים, אך אינה משפיעה על האנרגיה הקינטית של כל אחד מהם. או לחלופין, אנרגיית הפוטון (התלויה רק בתדירותו שלא השתנתה) אינה גדולה מספיק על מנת לשחרר אלקטרון, וכך, אף שעוצמת האור הוגדלה, עדיין לא נפלטים אלקטרונים.
כאשר תדירות האור גדלה, האנרגיה של כל אחד מהפוטונים גדלה אף היא, ולכן גדלה האנרגיה הקינטית של האלקטרון הנפלט.
כאשר $\ hf<W$ , אין לפוטון אנרגיה מספיקה להוצאת אלקטרון מהמתכת. זה המקור לתדירות הסף שנמצאה עבור המתכת.
קצב הפליטה נקבע על ידי האינטראקציה של הפוטון עם האלקטרון. אף שהקצב הממוצע של מעבר האנרגיה למתכת נמוך מאוד, האנרגיה אינה מתחלקת בין כל האלקטרונים, אלא מוענקת רק לחלק קטן מהם, אלה שהפוטונים פוגעים בהם.