Kesan fotoelektrik merujuk kepada apa yang berlaku apabila elektron dipancarkan dari bahan yang telah menyerap radiasi elektromagnetik. Ahli fizikal Albert Einstein adalah yang pertama menggambarkan kesan sepenuhnya, dan menerima Hadiah Nobel untuk karyanya.
Apakah kesan fotoelektrik?
Cahaya dengan tenaga di atas titik tertentu boleh digunakan untuk mengetuk elektron longgar, membebaskannya dari permukaan logam pepejal, menurut Scientific American. Setiap zarah cahaya, yang dipanggil foton, bertabrakan dengan elektron dan menggunakan beberapa tenaga untuk melepaskan elektron. Selebihnya pemindahan tenaga foton ke caj negatif percuma, dipanggil fotoelektron.
Memahami bagaimana ini berfungsi merevolusikan fizik moden. Aplikasi kesan fotoelektrik membawa kita pembuka pintu "elektrik mata", meter cahaya yang digunakan dalam fotografi, panel solar dan fotostatik menyalin.
Discovery
Sebelum Einstein, kesannya telah diperhatikan oleh saintis, tetapi mereka keliru dengan tingkah laku itu kerana mereka tidak memahami sepenuhnya cahaya. Pada akhir 1800an, ahli fizik James Clerk Maxwell di Scotland dan Hendrik Lorentz di Belanda menentukan bahawa cahaya kelihatan berperilaku sebagai gelombang. Ini terbukti dengan melihat bagaimana gelombang cahaya memperlihatkan gangguan, pembelauan dan penyebaran, yang biasa berlaku pada pelbagai gelombang (termasuk gelombang di dalam air.)
Oleh itu, hujah Einstein pada tahun 1905 bahawa cahaya juga boleh bertindak sebagai set zarah adalah revolusioner kerana ia tidak sesuai dengan teori klasik radiasi elektromagnetik. Ahli-ahli sains lain telah mengemukakan teori itu di hadapannya, tetapi Einstein adalah yang pertama untuk menjelaskan sepenuhnya mengapa fenomena itu berlaku - dan implikasinya.
Sebagai contoh, Heinrich Hertz dari Jerman adalah orang pertama yang melihat kesan fotoelektrik, pada tahun 1887. Dia mendapati bahawa jika dia bersinar cahaya ultraviolet ke elektrod logam, dia menurunkan voltan yang diperlukan untuk membuat percikan bergerak di belakang elektrod, menurut ahli astronomi Inggeris David Darling.
Kemudian pada tahun 1899, di England, J.J. Thompson menunjukkan bahawa cahaya ultraviolet yang memukul permukaan logam menyebabkan lekapan elektron. Pengukuran kuantitatif kesan fotoelektrik pada tahun 1902, dengan kerja oleh Philipp Lenard (bekas pembantu Hertz.) Sudah jelas bahawa cahaya mempunyai sifat elektrik, tetapi apa yang berlaku tidak jelas.
Menurut Einstein, cahaya terdiri daripada paket-paket kecil, pada mulanya dipanggil quanta dan kemudian foton. Bagaimana fungsi quanta di bawah kesan fotoelektrik dapat difahami melalui percubaan pemikiran. Bayangkan marmar yang mengelilingi telaga, yang akan menjadi seperti elektron terikat pada atom. Apabila foton masuk, ia menyentuh marmar (atau elektron), memberikan tenaga yang cukup untuk melarikan diri dari telaga. Ini menerangkan kelakuan permukaan logam yang menarik.
Sementara Einstein, seorang kerani paten muda di Switzerland, menjelaskan fenomena itu pada tahun 1905, ia mengambil masa 16 tahun lagi bagi Hadiah Nobel untuk dianugerahkan untuk karyanya. Ini datang selepas ahli fizik Amerika Robert Millikan bukan sahaja mengesahkan kerja, tetapi juga mendapati hubungan antara satu pemalar Einstein dan pemalar Planck. Konstanta yang kedua menggambarkan bagaimana zarah dan gelombang berkelakuan di dunia atom.
Kajian awal lebih awal mengenai kesan fotoelektrik dilakukan oleh Arthur Compton pada tahun 1922 (yang menunjukkan bahawa X-ray juga boleh dianggap sebagai foton dan memperoleh Hadiah Nobel pada tahun 1927), serta Ralph Howard Fowler pada tahun 1931 (yang melihat hubungan antara suhu logam dan arus fotoelektrik.)
Permohonan
Walaupun penerangan mengenai kesan fotoelektrik sangat tinggi secara teoritis, terdapat banyak aplikasi praktikal dalam kerjanya. Britannica menerangkan beberapa:
Sel-sel fotoelektrik pada asalnya digunakan untuk mengesan cahaya, menggunakan tiub vakum yang mengandungi katod, untuk memancarkan elektron, dan anod, untuk mengumpul arus yang terhasil. Hari ini, "phototubes" ini telah maju ke fotodiod berasaskan semikonduktor yang digunakan dalam aplikasi seperti sel suria dan telekomunikasi optik gentian.
Tiub photomultiplier adalah variasi phototube, tetapi mereka mempunyai beberapa plat logam yang disebut dynodes. Elektron dibebaskan selepas menyerang cahaya katod. Elektron kemudian jatuh ke dynode pertama, yang melepaskan lebih banyak elektron yang jatuh pada dynode kedua, kemudian ke ketiga, keempat, dan sebagainya. Setiap dynode menguatkan arus; selepas kira-kira 10 dynoda, arus cukup kuat untuk photomultipliers untuk mengesan foton tunggal. Contoh-contoh ini digunakan dalam spektroskopi (yang memisahkan cahaya ke dalam gelombang panjang yang berlainan untuk mengetahui lebih lanjut mengenai komposisi kimia bintang, contohnya), dan imbasan tomografi paksi komputer (CAT) yang mengkaji badan.
Aplikasi lain daripada photodiod dan photomultipliers termasuk:
- teknologi pencitraan, termasuk tiub kamera televisyen (lebih tua) atau pengintip imej;
- mengkaji proses nuklear;
- bahan analisa kimia berdasarkan elektron yang dipancarkan;
- memberi maklumat teori tentang bagaimana elektron dalam peralihan atom antara keadaan tenaga yang berlainan.
Tetapi mungkin aplikasi yang paling penting kesan fotoelektrik itu adalah menjauhkan revolusi kuantum, menurut
Saintifik Amerika. Ia membawa ahli fizik untuk memikirkan sifat cahaya dan struktur atom dengan cara yang sama sekali baru.
