اثر فوتوالکتریک

مقاله‌ای که جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ برای انیشتین به ارمغان آورد، اثری تحت عنوان «اثر فتوالکتریک» را توضیح می‌داد.زمانی که نوری روی سطحی فلزی تابیده شود، نور به دلیل اینکه حامل الکترون است باعث میشود که انرژی الکترون‌ها در هنگام برخورد با فلز ها افزایش یافته و از سطح فلز جدا می‌شوند. به این پدیده، اثر فوتوالکتریک و به الکترون‌هایی که از سطح فلز جدا می‌شوند، فوتوالکترون می‌گویند.فوتوالکترون‌ها از نظر خواص فیزیکی و رفتار، تفاوتی با بقیه الکترون‌ها ندارند. پیشوند فوتو، بر این نکته تاکید می‌کند که جدا شدن الکترون‌ها از سطح در نتیجه تابش نور است. در شکل بالا شماتیک مفهوم بیان شده نشان داده شده است.

در قرن نوزدهم اعتقاد بر این بود که واحد تشکیل دهنده ذرات نور فوتون است. و وقتی که فوتون ها با ماده ها برهمکنش میکنند ماده ها میتوانند الکترون آزاد کند و وقتی دامنه نوسان برخی الکترون ها به اندازه کافی بیشتر شود باید انرژی جنبشی لازم برای جدا شدن الکترون ها از ماده ها هم فراهم شود و این دیدگاه با تجربه های به دست امده همخوانی نداشت همچنین نظریه الکترومغناطیسی ماکسول معتقد بود شدت فرودی نور بر روی سطح ماده(مثلا فلز) اگر بیشتر باشد انرژی جنبشی الکترون ها برای جدا شدن فلز باید بیشتر شود.

پس از ۲۰ سال که دانشمندان از توجیه کردن این پدیده عاجز بودند انیشتین در سال ۱۹۰۵ از طریق قانون پلانک(تصویر بالا) این موضوع را توضیح داد که بنابر نظر انیشتین وقتی نوری بر سطح فلز میتابد هر فوتون(به ذرات تشکیل دهنده نور میگویند) هر فوتون صرفا با یکی از الکترون ها برهمکنش میکند.اگر فوتون انرژی کافی را داشته باشد که فرایند خارج کردن الکترون از سطح فاز را داشته باشد،الکترون بطور آنی از آن جدا میشود در این صورت بخشی از انرژی فوتون صرف جدا کردن الکترون از فلز میشود و مابقی آن به انرژی جنبشی الکترون خارج شده تبدیل می شود.

اگر بسامد نور تابیده شده بر سطح فلز از بسامدی موسوم به بسامد آستانه که به جنس فلز بستگی دارد کمتر باشد فوتونها حداقل انرژی لازم برای خارج کردن الکترون از فلز را ندارند و پدیده فوتوالکتریک رخ نمیدهد. همچنین برای نوری که فوتونهای آن دارای حداقل انرژی لازم برای وقوع پديدة فوتوالکتریک هستند افزایش شدت نور با ثابت ماندن بسامد) فقط سبب افزایش تعداد فوتون ها و در نتیجه افزایش تعداد فوتوالکترونها میشود در حالی که انرژی جنبشی فوتوالکترونها بدون تغییر می ماند.