اثر فوتوالکتریک Photoelectric effect

وقتی نور مناسبی به سطح یک فلز بتابد، گاهی الکترون‌هایی از آن کنده می‌شوند و جریان الکتریکی کوچکی پدید می‌آید. این پدیده را اثر فوتوالکتریک می‌نامند. هاینریش هرتس آن را در ۱۸۸۷ مشاهده کرد، اما قرار گرفتنش در جایگاه درست دو دههٔ بعد و با فیزیک نوین ممکن شد.

چه چیزی با فیزیک کلاسیک نمی‌خواند؟

بنا بر نظریهٔ موجی کلاسیک، نور شدیدتر باید انرژی بیشتری بدهد و الکترون‌ها را سریع‌تر بیرون بیندازد. اما آزمایش‌ها چیز دیگری نشان دادند:

• زیر یک بسامد معین (بسامد آستانه)، هر قدر هم نور شدید باشد، هیچ الکترونی خارج نمی‌شود.
• بالای بسامد آستانه، حتی نور بسیار کم‌فروغ بلافاصله الکترون آزاد می‌کند.
• انرژی الکترون‌های بیرون‌آمده به بسامد نور بستگی دارد، نه به شدت آن؛ شدت فقط شمار الکترون‌ها را تعیین می‌کند.

توضیح اینشتین

آلبرت اینشتین در ۱۹۰۵ پیشنهاد کرد نور از بسته‌های جداگانه‌ای انرژی تشکیل شده که بعدها فوتون نام گرفتند. انرژی هر فوتون برابر hf است، با ثابت پلانک h و بسامد f. هر فوتون همهٔ انرژی‌اش را به یک الکترون می‌دهد. اگر این انرژی از «تابع کار» فلز (کمترین انرژی لازم برای کندن الکترون) بیشتر باشد، الکترون خارج می‌شود:

اینشتین برای همین توضیح در ۱۹۲۱ جایزهٔ نوبل فیزیک گرفت، نه برای نسبیت. آزمایش‌های رابرت میلیکان بعدها درستی رابطه را با دقت تأیید کردند.

اهمیت آن

اثر فوتوالکتریک یکی از ستون‌های مکانیک کوانتومی است و نشان داد نور علاوه بر رفتار موجی، رفتار ذره‌ای هم دارد؛ موضوعی که بعدها به دوگانگی موج و ذره انجامید.

کاربردهای فناوری

سلول‌های خورشیدی، حسگرهای نور دوربین‌ها، چشم‌های الکتریکی درهای خودکار، تقویت‌کننده‌های نوری و آشکارسازهای نور در تلسکوپ‌ها از اثر فوتوالکتریک یا اثر وابسته به آن، یعنی اثر فوتوولتایی، بهره می‌برند.

پرسش‌های رایج

### چرا نور قرمز با شدت زیاد الکترون نمی‌کند اما نور فرابنفش ضعیف می‌کند؟
چون فوتون قرمز انرژی کمی دارد و برای بیشتر فلزها کمتر از تابع کار است. در اثر فوتوالکتریک، انرژی هر فوتون منفرد مهم است، نه شمار کل فوتون‌ها. فوتون فرابنفش انرژی بیشتری دارد و می‌تواند الکترون را آزاد کند.

### اینشتین نوبل را برای چه چیزی گرفت؟
اینشتین جایزهٔ نوبل ۱۹۲۱ را برای توضیح اثر فوتوالکتریک گرفت، نه برای نظریهٔ نسبیت.

### اثر فوتوالکتریک چه ربطی به پنل خورشیدی دارد؟
پنل خورشیدی از اثر وابسته به آن، یعنی اثر فوتوولتایی در نیم‌رسانا، بهره می‌گیرد: فوتون‌های نور خورشید الکترون‌ها را آزاد می‌کنند و جریان برق پدید می‌آید.

### آیا اثر فوتوالکتریک نشان می‌دهد نور ذره است؟
این اثر نشان می‌دهد نور در برهم‌کنش با ماده بسته‌بسته انرژی می‌دهد. نور هم رفتار موجی دارد و هم ذره‌ای، و این دو را باید مکمل هم دید.