אפקט פוטואלקטרי

התופעה הפוטואלקטרית היא פליטה של אלקטרונים ממתכת בהשפעת אור. התופעה נתגלה ע"י היינריך הרץ ב- 1887. תיאורית האפקט הפוטואלקטרי פותחה באחת העבודות המפורסמות של איינשטיין (A.Einstein) ב- 1905 (עבודות נוספות הן: תורת היחסות, תורת התנועה הבראונית, קשר בין מסה ואנרגיה. בשנים האלה איינשטיין בן ה-26 עבד במכון לפטנטים בעיר ברן שוויץ).

האפקט הפוטואלקטרי היה אפקט פיזיקלי ראשון שבו התגלו בפרוש מאפיינים קוונטיים של האור. בדיקה קפדנית של משוואות איינשטיין ומדידת קבוע פלנק, $h$, בוצעו ע"י מיליקן (R.A.Millikan). על עבודה זו קיבל ב-1921 אלברט איינשטיין פרס נובל.

רקע תיאורטי

אם נקבל שאור נפלט, מתקדם ונבלע במנות מסוימות (פוטונים), אזי נוסחת האפקט הפוטואלקטרי נובעת ישירות מתוך עקרון שימור האנרגיה באופן פשוט מאוד. אנרגיה של קוונט אור, השווה ל- $hf$ מועברת במלואה לאלקטרון. חלק מהאנרגיה דרוש לשחרור האלקטרון מן המתכת ויתרת האנרגיה הופכת לאנרגיה קינטית של האלקטרון הנפלט. פונקציה העבודה $\Phi$ של המתכת היא כמות האנרגיה המינימלית הדרושה לשחרר את האלקטרון מן המתכת,כלומר:

                            $hf= \Phi+1/2mv^2$

כאשר: $h=6.63*10^{-34} Js$ – קבוע פלנק , $f$ – תדירות האור, $m$ – מסת האלקטרון, $v$ – מהירות האלקטרונים המשתחררים, זוהי המשוואה המפורסמת של איינשטיין שעליה קיבל את פרס הנובל. התדירות המינימלית – $f_0$ של האור שבה מתרחש האפקט הפוטואלקטרי נקראת תדירות הסף (הגבול האדום של האפקט), והיא שווה ל- $hf_0 = \ Phi$ .

מערכת הניסוי

בניסוי שלנו המשטח הפוטואלקטרי הנמצא בתוך שפופרת ריק מוקרן ע"י מנורת להט (איור 1). בעזרת מונוכרומטור מאפשרים רק לאור בתדירויות מסוימות להגיע לתא הפוטואלקטרי. האור מוקרן לקטודה ממנה נפלטים האלקטרונים שמגיעים לאנודה שמוחזקת במתחים משתנים. את המתח לאנודה של התא הפוטואלקטרי מספקים ע"י Signal generator מהממשק. הזרם של התא הפוטואלקטרי נמדד על ידי נגד של $1M\Omega$ המחובר בטור למעגל. מתח זה עובר דרך מולטימטר Keithley 177 לצורך הגברה, ונמדד על ידי חיישן מתח.

איור 1 - מערכת הניסוי

לקביעת המהירות המקסימלית של הפוטואלקטרונים בד"כ משתמשים בשיטת מתח סף. אם נגדיל את המתח השלילי על האנודה, אז במתח מסוים $U_0$ (מתח הסף) זרם האלקטרונים יתאפס. בנקודה זו האנרגיה הקינטית של האלקטרונים "מתבזבזת" כולה כדי להתגבר על מחסום הפוטנציאל. במקרה זה משוואת איינשטיין תירשם כך:

              עיבוד הנוסחה נכשל (שגיאת תחביר): U_0={h \over e}f- {\Phi \over e

כאשר $e$ הוא מטען האלקטרון. לבדיקה ניסיונית של המשוואה הזאת מודדים את תלות מתח הסף (0U) בתדר האור - f. התלות חייבת להיות לינארית ושיפוע הקו שווה h/e. בשיטה זאת ניתן לקבוע את היחס בין שני קבועים פיזיקליים בסיסיים.