סיכומים משיעורי פיזיקה

#17- האפקט הפוטואלקטרי

מה זה גל באופן עקרוני? אם נדפוק מקל לתוך מים הרבה פעמים נראה גל מתפשט הצידה. כנל אם נפרוט על מיתר של גיטרה. יש לגל תדירות, f. כלומר כמה פעמים הגל עושה את ההתנודדות שלו. ומה זה אורך גל, λ? הוא מרחק בין 2 נקודות מקסימום בגל. אורך הגל, תדירות, ומהירות הגל תלויים זה בזה.
v=λf.
זה תמיד נכון, כולל גלים אלקטרומגנטיים.

מה זה אלקטרומגנטי ומה זה גל?
אור זה מה שאנחנו רואים. אבל מה מתנדנד שם? אור זה 2 שדות שקשורים אחד לשני, חשמלי ומגנטי. ומהירות האור קבוע.
מתוך כמה משוואות אלקטרומגנטיות ניתן להסיק כי המהירות של גלים אלקטרומגנטיים הן 1/√μ₀ε₀, והמהירות היא בדיוק כמו מהירות האור!

ומאחר וגל אלקטרומגנטי תמיד נע במהירות האור, נוכל להגיד שc=λf. אנחנו חושבים שמהירות האור היא מהירות עצומה, אבל במונחים אסטרונומיים לא ממש. 8 דקות מהשמש לכאן.

האפקט הפוטואלקטרי הוא מה שזיכה את איינשטיין בפרס נובל. באותה השנה שהוא פיתח את האפקט הפוטואלקטרי הוא גם פיתח את תורת היחסות הפרטית שלגמריי שינתה את העולם המדעי אבל לא קיבל פרס נובל על תורת היחסות הפרטית.
איינשטיין גילה שגל אור לא רק יכול להתנהג כמו גל, הוא יכול להתנהג גם כמו חלקיק. אם יורים אור על מתכת לפעמים עפים אלקטרונים ולפעמים לא. כשלא עפים אלקטרונים אפשר להגביר את העוצמה כמה שרוצים בלי שהאלקטרונים יעופו. אבל אם משנים את הצבע, אפשר להעיף אלקטרונים!
ככל שהתדירות גבוהה יותר אפשר לחשוב שהחלקיק אנרגטי יותר. ומגלים שהיחס בין התדירות לאנרגיה הקינטית היא לינארית.
אז מה איינשטיין חשב? ההנחה הראשונה היא שאור הוא אוסף של חלקיקים קטנים ששמם בישראל פוטונים. וכל אטום יכול להיפגע מפוטון רק פעם אחת. ויש אנרגיה שקושרת את האטום ביחד, ואם לפוטון אין מספיק אנרגיה הוא פשוט לא מסוגל לשחרר אלקטרון לא משנה כמה פוטונים זורקים. האנרגיה הקינטית שהאלקטרון מקבל שווה לאנרגיית הפוטון פחות האנרגיה שהלכה לקשר. הגיוני?
אנרגיית קשר גם נקראת פונקציית עבודה.

ועם כל הדברים האלה, אנרגיית הפוטון צריכה להיות קשורה לתדירות. ומה היא? E=hf. הh הוא קבוע מספר ששמו קבוע פלאנק שגודלו 6.62•10⁻³⁴. קצת ניחוש יחידות?
________________________________________
התשובה היא ג'אול לשניה.

ומה זה התדירויות האלה? מה קורה בעצם? נקח גלי רדיו, לא קורה כלום. זה כמו שנתן לאלקטרון אנרגיה שמקפיץ אותו מחוץ לכוס שהוא נמצא בו. אם הפוטון לא אנרגטי מספיק הוא לא יצא ממנו. אבל אם הוא כן, הוא יוכל להקפיץ אותו מחוץ לכוס!

בקיצור, האור מקיים את כל התכונות של הגל ובנוסף לזה הוא גם מקיים תכונות של חלקיק. ואותו הדבר גם לאלקטרון! שניהם גם גלים וגם חלקיקים. אלקטרון יכול לקבל אנרגיה מפוטון או מאלקטרון. אם הוא מקבל אותו מפוטון זה או הכל או כלום!

לא ניתן להאיץ גוף למהירות האור. לכל דבר שהוא בעל מסה ניתן רק להאיץ אותו, ולכן הוא לא יכול להגיע למהירות האור. אבל דברים שנולדו במהירות האור, כמו פוטונים, כן יכולים!

נחבר קבל למעגל. נתחיל להקרין אור על הצד השלילי והאלקטרונים מתחילים להאיץ, ואז הם עוברים לצד החיובי. הזרם, כמובן, הוא לצד השני.

הזרם גודל ככל שהמתח גדל, והוא שואף לזרם מקסימלי- זרם הרוויה. עוצמה זה לא תדירות, זה כמה פוטונים יש. אם הפוטונים לא חזקים מספיק כדי להקפיץ אלקטרון לא משנה כמה פוטונים יש בשביל זה. אבל אם יש מספיק אנרגיה, העוצמה כן תשנה. אבל יש כמות מקסימלית של אלקטרונים שיספיקו לזוז! זה לא שיש מקור אינסופי של אלקטרונים בקבל שיתנו לפוטונים להקפיץ אותם.
ומה אם נהפוך את מקור המתח? במקום האצת אלקטרונים, נקבל האטת אלקטרונים. בסופו של דבר, המתח יתאפס. יש מתח עצירה. זאת אנרגיה חשמלית שנגרעת מאלקטרונים, ועל זה היה הפרס נובל. האלקטרונים לקחו את כל האנרגיה בהפרש הפוטנציאלים- שזה המתח.

מתח העצירה הוא המתח שיעצור את הזרם. כי מתחת למתח הזה לא יהיה לאלקטרונים מספיק אנרגיה לזוז.

גם אם אין מתח, יש זרם. נוכל להמשיך את פונקציית המתח-זרם ונוכל להאריך אותו עד למתי שהמתח שלילי, כי בשלב הזה המתח כבר הפוך! עד לנקודה מסויימת, שהיא מתח העצירה.
הגרפים האלה הם לא לינאריים!

אם אתם לא מכירים את הספקטרום האלקטרומגנטי, הנה זה:
יש את צבעי הקשת. ככל שאורך הגל ארוך כך הגל פחות אנרגטי. כי לוקח לו יותר זמן לעלות!
מתחת לאדום יש את האינפרה אדום. ואחר כך מייקרוויב. ואחר כך רדיו.
ומעל הסגול יש UV, ואז Xray, ואז γ.
מהUV הגבוה ומעלה הקרינה מסוכנת, כי הקרינה מייננת. היא יכולה להעיף אלקטרונים מאטומים. גם Xray בכמות גבוהה יכולה להרוג אותנו. ואנחנו לא רואים את כל זה.

אם נירה קשת לתא פוטואלקטרי, האדום והצהוב לא משחררים אלקטרונים והירוק כן, גם הכחול והסגול כן משחררים אלקטרונים.
איך מתח העצירה משתנה אם משנים את עוצמת ההארה? עוצמת ההארה רק מגדיל את כמות הפוטונים. אבל לכל פוטון לבד יש את אותו כמות האנרגיה. מתח העצירה לא משתנה.
ותדירות הסף, פונקציית העבודה גם לא משתנה. היא רק תלויה באנרגיית הקשר aka סוג החומר.
וזרם הרוויה לעומת זאת, תלויה רק בעוצמת ההארה.
שמנו פילטר שחוסם אור סגול.
עכשיו יש שינוי בצבעים.
מי עכשיו ישחרר את האלקטרון הכי מהיר? בעבר זה היה סגול. עכשיו האלקטרונים הכי מהירים פחות מהירים. במתח עצירה הולכים על הכי אנרגטיים/הכי מהירים! עכשיו מתח העצירה יקטן, כי הם יתפקדו קצת פחות.
גם תדירות הסף לא משתנה. לא נגענו במתכת.
ואחרי שחסמנו חלק מהפוטונים המייננים, זרם הרוויה קטן.
ועכשיו, מנמיכים את אנרגיית הקשר וגם אור צהוב מיינן ושמים מחסום כחול.
עכשיו, אלקטרונים סגולים יותר מהירים מאלקטרונים הסגולים הקודמים! ועכשיו מתח העצירה גדול יותר!
גם פונקציית העבודה קטנה.
לא ידוע כמה פוטונים יש- מצד אחד יש פוטונים צהובים אבל מצד שני חסמנו כחולים, ולכן אין מספיק ידע כדי לדעת מה הזרם רוויה.

יחידה נוספת לאנרגיה: 1eV=1.6•10⁻¹⁹J