เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกหมายถึงสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาจากวัสดุที่ดูดซับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นักฟิสิกส์อัลเบิร์ตไอน์สไตน์เป็นคนแรกที่อธิบายถึงผลกระทบอย่างเต็มที่และได้รับกรางวัลโนเบลสำหรับงานของเขา
เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกคืออะไร?
แสงที่มีพลังงานสูงกว่าจุดหนึ่งสามารถนำมาใช้เคาะอิเล็กตรอนหลวมปลดปล่อยพวกเขาจากพื้นผิวโลหะแข็งตาม Scientific American แต่ละอนุภาคของแสงที่เรียกว่าโฟตอนปะทะกับอิเล็กตรอนและใช้พลังงานบางอย่างเพื่อกำจัดอิเล็กตรอน ส่วนที่เหลือของพลังงานของโฟตอนถ่ายโอนไปยังประจุลบฟรีเรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน
ทำความเข้าใจว่างานนี้ปฏิวัติฟิสิกส์สมัยใหม่ได้อย่างไร การประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกทำให้เราเปิดประตู "Electric Eye", มิเตอร์แสงที่ใช้ในการถ่ายภาพแผงโซลาร์เซลล์และการคัดลอกด้วยแสง
การค้นพบ
ก่อนที่ Einstein นักวิทยาศาสตร์จะสังเกตเห็นผลกระทบ แต่พวกเขาก็สับสนกับพฤติกรรมเพราะพวกเขาไม่เข้าใจธรรมชาติของแสงอย่างเต็มที่ ในช่วงปลายยุค 1800 นักฟิสิกส์เจมส์เสมียนแมกซ์เวลล์ในสกอตแลนด์และเฮ็นดริคลอเรนซ์ในเนเธอร์แลนด์ระบุว่าแสงดูเหมือนจะทำตัวเป็นคลื่น สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วโดยการเห็นว่าคลื่นแสงแสดงให้เห็นถึงการรบกวนการเลี้ยวเบนและการกระเจิงซึ่งเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับคลื่นทุกประเภท (รวมถึงคลื่นในน้ำ)
ดังนั้นการโต้แย้งของ Einstein ในปี 1905 ว่าแสงสามารถทำตัวเป็นชุดของอนุภาคได้ปฏิวัติเพราะมันไม่สอดคล้องกับทฤษฎีคลาสสิกของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์คนอื่น ๆ ได้ตั้งสมมติฐานทฤษฎีต่อหน้าเขา แต่ไอน์สไตน์เป็นคนแรกที่อธิบายอย่างละเอียดว่าทำไมปรากฏการณ์เกิดขึ้น - และความหมาย
ตัวอย่างเช่นเฮ็นริชเฮิร์ตซ์แห่งเยอรมนีเป็นคนแรกที่ได้เห็นเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกในปี 1887 เขาค้นพบว่าถ้าเขาส่องแสงอัลตราไวโอเลตลงบนขั้วไฟฟ้าของโลหะเขาก็ลดแรงดันไฟฟ้าที่จำเป็นในการทำให้ประกายเคลื่อนที่อยู่ด้านหลังขั้วไฟฟ้า
จากนั้นในปี 1899 ในอังกฤษ JJ Thompson แสดงให้เห็นว่าแสงอัลตราไวโอเลตที่กระทบกับพื้นผิวโลหะทำให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอน มาตรการเชิงปริมาณของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกมาในปี 2445 โดยทำงานโดย Philipp Lenard (อดีตผู้ช่วยของ Hertz) เป็นที่ชัดเจนว่า Light มีคุณสมบัติทางไฟฟ้า แต่สิ่งที่เกิดขึ้นก็ไม่ชัดเจน
ตามที่ Einstein แสงประกอบด้วยแพ็คเก็ตเล็ก ๆ ในตอนแรกที่เรียกว่า Quanta และโฟตอนในภายหลัง การทำงานของควอนตาภายใต้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกสามารถเข้าใจได้อย่างไรผ่านการทดลองทางความคิด ลองนึกภาพหินอ่อนที่วนเวียนอยู่ในบ่อน้ำซึ่งจะเป็นเหมือนอิเล็กตรอนที่ถูกผูกไว้กับอะตอม เมื่อโฟตอนเข้ามามันจะกระทบกับหินอ่อน (หรืออิเล็กตรอน) ให้พลังงานเพียงพอที่จะหลบหนีจากบ่อน้ำ สิ่งนี้อธิบายถึงพฤติกรรมของพื้นผิวโลหะที่โดดเด่น
ในขณะที่ไอน์สไตน์จากนั้นเสมียนสิทธิบัตรหนุ่มในสวิตเซอร์แลนด์อธิบายปรากฏการณ์ในปี 2448 มันใช้เวลา 16 ปีสำหรับรางวัลโนเบลที่ได้รับรางวัลสำหรับงานของเขา สิ่งนี้เกิดขึ้นหลังจากนักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน Robert Millikan ไม่เพียง แต่ตรวจสอบงานเท่านั้น แต่ยังพบความสัมพันธ์ระหว่างค่าคงที่ของ Einstein และค่าคงที่ของ Planck ค่าคงที่หลังอธิบายว่าอนุภาคและคลื่นทำงานอย่างไรในโลกอะตอม
การศึกษาเชิงทฤษฎีในช่วงต้นเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกได้ดำเนินการโดย Arthur Compton ในปี 1922 (ซึ่งแสดงให้เห็นว่ารังสีเอกซ์สามารถถือว่าเป็นโฟตอนและได้รับรางวัลโนเบลในปี 1927) เช่นเดียวกับ Ralph Howard Fowler ในปี 1931
แอปพลิเคชัน
ในขณะที่คำอธิบายของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกฟังดูทฤษฎีสูง แต่ก็มีมากมายแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริงของงาน Britannica อธิบายไม่กี่:
เซลล์โฟโตอิเล็กทริกถูกใช้เพื่อตรวจจับแสงโดยใช้หลอดสูญญากาศที่มีแคโทดเพื่อปล่อยอิเล็กตรอนและขั้วบวกเพื่อรวบรวมกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น วันนี้ "photoTubes" เหล่านี้มีขั้นสูงไปยังโฟโตไดโอดที่ใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในแอพพลิเคชั่นเช่นเซลล์แสงอาทิตย์และการสื่อสารโทรคมนาคมไฟเบอร์ออปติก
หลอด Photomultiplier เป็นรูปแบบของ phototube แต่มีแผ่นโลหะหลายแผ่นที่เรียกว่า dynodes อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาหลังจากแสงกระทบกับแคโทด จากนั้นอิเล็กตรอนก็ตกลงไปสู่ Dynode แรกซึ่งปล่อยอิเล็กตรอนมากขึ้นที่ตกลงบน Dynode ที่สองจากนั้นไปที่สาม, สี่และอื่น ๆ แต่ละ dynode ขยายกระแสไฟฟ้า; หลังจากประมาณ 10 dynodes กระแสก็แข็งแกร่งพอที่ photomultipliers จะตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ตัวอย่างของสิ่งนี้ใช้ในสเปกโทรสโกปี (ซึ่งแบ่งแสงออกเป็นความยาวคลื่นที่แตกต่างกันเพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของดาว) และการสแกนเอกซ์เรย์ตามแนวแกน (CAT) ที่ตรวจสอบร่างกาย
แอพพลิเคชั่นอื่น ๆ ของโฟโตไดโอดและโฟโตมิลลิปเตอร์รวมถึง:
- เทคโนโลยีการถ่ายภาพรวมถึงหลอดกล้องโทรทัศน์ (เก่า) หรือเครื่องเพิ่มความเข้มของภาพ
- การศึกษากระบวนการนิวเคลียร์
- การวิเคราะห์วัสดุทางเคมีตามอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา
- ให้ข้อมูลเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับวิธีการที่อิเล็กตรอนในการเปลี่ยนแปลงของอะตอมระหว่างสถานะพลังงานที่แตกต่างกัน
แต่บางทีแอปพลิเคชั่นที่สำคัญที่สุดของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกคือการตั้งค่าการปฏิวัติควอนตัม, ตาม
นักวิทยาศาสตร์อเมริกัน มันทำให้นักฟิสิกส์คิดเกี่ยวกับธรรมชาติของแสงและโครงสร้างของอะตอมในรูปแบบใหม่ทั้งหมด
ทรัพยากรเพิ่มเติม
