Het foto-elektrisch effect verwijst naar wat er gebeurt als elektronen worden uitgezonden door een materiaal dat elektromagnetische straling heeft geabsorbeerd. Natuurkundige Albert Einstein was de eerste die het effect volledig beschreef en ontving een Nobelprijs voor zijn werk.
Wat is het foto-elektrisch effect?
Licht met energie boven een bepaald punt kan volgens Scientific American worden gebruikt om elektronen los te slaan en ze te bevrijden van een stevig metalen oppervlak. Elk lichtdeeltje, een foton genoemd, komt in botsing met een elektron en gebruikt een deel van zijn energie om het elektron los te maken. De rest van de energie van het foton gaat over op de vrije negatieve lading, een foto-elektron genaamd.
Begrijpen hoe dit werkt, heeft een revolutie teweeggebracht in de moderne fysica. Toepassingen van het foto-elektrische effect brachten ons "elektrische oog" deuropeners, lichtmeters die worden gebruikt in fotografie, zonnepanelen en fotostatisch kopiëren.
Ontdekking
Vóór Einstein was het effect waargenomen door wetenschappers, maar ze waren in de war door het gedrag omdat ze de aard van licht niet volledig begrepen. Eind 1800 ontdekten natuurkundigen James Clerk Maxwell in Schotland en Hendrik Lorentz in Nederland dat licht zich als een golf lijkt te gedragen. Dit werd bewezen door te zien hoe lichtgolven interferentie, diffractie en verstrooiing vertonen, die veel voorkomen bij alle soorten golven (inclusief golven in water).
Het argument van Einstein in 1905 dat licht zich ook kan gedragen als verzamelingen deeltjes was dus revolutionair omdat het niet paste in de klassieke theorie van elektromagnetische straling. Andere wetenschappers hadden de theorie voor hem gepostuleerd, maar Einstein was de eerste die volledig uitlegde waarom het fenomeen zich voordeed - en de implicaties ervan.
Zo was Heinrich Hertz uit Duitsland in 1887 de eerste die het foto-elektrische effect zag. Hij ontdekte dat als hij ultraviolet licht op metalen elektroden scheen, hij de spanning verlaagde die nodig was om een vonk achter de elektroden te laten bewegen, aldus een Engelse astronoom David Darling.
In 1899, in Engeland, J.J. Thompson toonde aan dat ultraviolet licht dat een metalen oppervlak raakt, de uitstoot van elektronen veroorzaakte. Een kwantitatieve meting van het foto-elektrische effect kwam in 1902, met werk van Philipp Lenard (een voormalige assistent van Hertz.) Het was duidelijk dat licht elektrische eigenschappen had, maar wat er aan de hand was, was onduidelijk.
Licht bestaat volgens Einstein uit kleine pakketjes, eerst quanta en later fotonen genoemd. Hoe quanta zich gedragen onder het foto-elektrische effect, kan worden begrepen door middel van een gedachte-experiment. Stel je een marmer voor die in een put cirkelt, die zou zijn als een gebonden elektron aan een atoom. Wanneer een foton binnenkomt, raakt het het marmer (of elektron), waardoor het genoeg energie krijgt om uit de put te ontsnappen. Dit verklaart het gedrag van licht opvallende metalen oppervlakken.
Terwijl Einstein, toen een jonge patentklerk in Zwitserland, het fenomeen in 1905 uitlegde, duurde het nog 16 jaar voordat de Nobelprijs voor zijn werk werd toegekend. Dit kwam nadat de Amerikaanse natuurkundige Robert Millikan niet alleen het werk had geverifieerd, maar ook een verband vond tussen een van de constanten van Einstein en de constante van Planck. De laatste constante beschrijft hoe deeltjes en golven zich gedragen in de atoomwereld.
Verdere vroege theoretische studies naar het foto-elektrische effect werden uitgevoerd door Arthur Compton in 1922 (die aantoonde dat röntgenstralen ook als fotonen konden worden behandeld en de Nobelprijs verdiende in 1927), evenals Ralph Howard Fowler in 1931 (die naar de verband tussen metaaltemperaturen en foto-elektrische stromen.)
Toepassingen
Hoewel de beschrijving van het foto-elektrische effect zeer theoretisch klinkt, zijn er veel praktische toepassingen van het werk. Britannica beschrijft er een paar:
Foto-elektrische cellen werden oorspronkelijk gebruikt om licht te detecteren, met behulp van een vacuümbuis met een kathode, om elektronen uit te zenden en een anode om de resulterende stroom te verzamelen. Tegenwoordig zijn deze "fotobuizen" gevorderd tot op halfgeleiders gebaseerde fotodiodes die worden gebruikt in toepassingen zoals zonnecellen en telecommunicatie via glasvezel.
Fotomultiplicatorbuizen zijn een variatie op de fotobuis, maar ze hebben verschillende metalen platen die dynodes worden genoemd. Elektronen worden vrijgegeven nadat licht de kathoden treft. De elektronen vallen dan op de eerste dynode, die meer elektronen vrijgeeft die op de tweede dynode vallen, vervolgens op de derde, vierde enzovoort. Elke dynode versterkt de stroom; na ongeveer 10 dynodes is de stroom sterk genoeg voor de fotomultiplicatoren om zelfs afzonderlijke fotonen te detecteren. Voorbeelden hiervan worden gebruikt in spectroscopie (die licht in verschillende golflengten opsplitst om meer te weten te komen over bijvoorbeeld de chemische samenstelling van sterren), en computergestuurde axiale tomografie (CAT) -scans die het lichaam onderzoeken.
Andere toepassingen van fotodiodes en fotomultiplicatoren zijn onder meer:
- beeldtechnologie, waaronder (oudere) televisiecamerabuizen of beeldversterkers;
- nucleaire processen bestuderen;
- materialen chemisch analyseren op basis van hun uitgezonden elektronen;
- theoretische informatie geven over hoe elektronen in atomen overgaan tussen verschillende energietoestanden.
Maar misschien was de belangrijkste toepassing van het foto-elektrische effect het veroorzaken van de kwantumrevolutie, aldus
Wetenschappelijke Amerikaan. Het bracht natuurkundigen ertoe om op een geheel nieuwe manier na te denken over de aard van licht en de structuur van atomen.
