Nepaisant Alberto Einsteino reliatyvumo teorijų populiarumo ir juodųjų bedugnių apmąstymų, 1921 m. jis buvo apdovanotas Nobelio premija už 1905 m. atrastą fotoefektą. Šis atradimas per praėjusius 110 metų iš esmės pakeitė mūsų pasaulio supratimą. Bet kas yra fotoefektas?
Nepaisant Alberto Einsteino reliatyvumo teorijų populiarumo ir juodųjų bedugnių apmąstymų, 1921 m. jis buvo apdovanotas Nobelio premija už 1905 m. atrastą fotoefektą. Šis atradimas per praėjusius 110 metų iš esmės pakeitė mūsų pasaulio supratimą. Bet kas yra fotoefektas?
Kai galvojate apie Albertą Einsteiną, kokia mintis pirma šauna į galvą? Bendrasis reliatyvumas? Juodosios bedugnės? Styrantys plaukai? Nors prie visų šių sričių per gyvenimą jis prisidėjo svariai, savo laiku Albertas Einsteinas buvo geriau žinomas dėl savo darbų fotoefekto srityje. Tiesą sakant, 1921 metais apdovanojant Nobelio premija fizikos srityje, jis buvo pagerbtas „už nuopelnus teorinei fizikai ir ypač už fotoefekto dėsnio atradimą“.
Šis atradimas toks svarbus – ir vertas Nobelio premijos, – nes Einšteinas pirmą kartą iškėlė mintį, kad šviesa yra banga ir dalelė. Šis reiškinys, vadinamas šviesos bangos–dalelės dualizmu, yra visos kvantų mechanikos pagrindas ir paveikė sritis nuo elektroninių mikroskopų iki šviesos elementų kūrimo.
Kas yra fotoefektas?
Kai didesnės energijos (dažnio) už tam tikrą ribą šviesa apšviečia metalo paviršių, anksčiau suvaržytas metalo elektronas išlaisvinamas. Kiekviena šviesos dalelė, kitaip – fotonas, susiduria su elektronu ir dalį savo energijos panaudoja elektrono išlaisvinimui iš metalo. Likusi fotono energija perduodama dabar jau laisvam neigiamam krūviui, fotoelektronui.
Kodėl tai nutinka? Kas nulemia išlaisvinamų elektronų energijas (ir greičius)? Norint suprasti atsakymus į šiuos klausimus, reikia šiek tiek pasikapstyti fotoefekto istorijoje.
Paslaptingas rezultatas
XIX amžiaus pabaigos, fizikos eksperimentatoriams iškilo milžiniška užduotis. 1865 metais fizikas ir matematikas Jamesas Clerkas Maxwellas išleido savo elektromagnetizmo teoriją, kurioje tvirtino, kad elektra ir magnetizmas erdve juda kaip šviesos greičiu sklindančios bangos. Eksperimentatoriai ėmėsi ieškoti Maxwello teorijų, taip gražiai paaiškinusių – bent jau matematiškai, – įrodymų.
Tai pavyko 1887 m., kai Heinrichas Hertzas pirmasis sukūrė ir aptiko Maxwello numatytą elektromagnetinį spinduliavimą. Hertzas sukūrė kibirkštį tarp dviejų bronzos gabalėlių, naudodamas aukštos įtampos indukcijos ritę, ir tada aptiko kibirkšties sukurtą spinduliavimą, užfiksavęs antrą kibirkštį tarp varinės vielos ir žalvarinio rutulio (tai buvo jo „imtuvas“), esančių už 50 pėdų.
Ši antroji kibirkštis buvo labai blyški, tad, norėdamas gauti geresnį vaizdą, Hertzas įdėjo imtuvą į tamsią dėžę. Netikėtai jis išsiaiškino, kad dėl to kibirkštis susilpnėja, bet tik tada, kai dėžė pagaminta iš tam tikrų medžiagų. Po mėnesius trukusių paieškų, Hertzas nusprendė, kad geriausias imtuvo kibirkšties sustiprinimo būdas – panaudoti ultravioletinę šviesą, t. y. šviesą, kurios dažnis didesnis už regimosios šviesos.
Tačiau pabaigęs tyrimą Hertzas vis dar nežinojo, kodėl toks efektas pasireiškė. Jis sakė, „Kol kas susilaikau nuo gautų rezultatų skelbimo, nebandydamas jokių atlikimo būdo teorijų, kai stebėtasis fenomenas pasireiškia.“
Dar keli žingsniai priartino fizikus prie atsakymo, įskaitant JJ Thompsono atliktą išspinduliuotų dalelių – elektronų – identifikavimą. Kitas didelis proveržis buvo Philippo Lenardo atradimas, kad šviesos intensyvumo keitimas neveikia išspinduliuotų elektronų energijos. Dvigubai didesnio intensyvumo šviesa išlaisvindavo dvigubai daugiau elektronų, bet jų energija buvo tokia pati.
Lenardo stebėjimai tiesiogiai prieštaravo prognozėms, kylančioms iš šviesos supratimo kaip bangos. Buvo tikimasi, kad ryškesnė šviesa elektronus purtys stipriau, tad jų išlaisvins daugiau ir didesniu greičiu. Lenardas pastebėjo, kad yra gerai apibrėžta minimali krintančios šviesos energija, žemiau kurios elektronai neišlaisvinami visai.
Tokio minimumo egzistavimas taip pat nesutapo su šviesos kaip bangos supratimu. Nors fotoefekto detalių supratimas vis gerėjo, trūko atsakymo, kodėl stebėjimai neatitinka teorijos.
Šviesos bangos dalelės dualizmas
1905 m. Einsteinas paskelbė, kad visi stebėti reiškiniai galėtų būti paaiškinti, jei šviesa būtų laikoma dalelių (šviesos kvantų – fotonų) srautu, o ne banga. Kiekvienas fotonas turi energiją, lygią jo dažniui, padaugintam iš konstantos. Kitaip tariant, kiekvieno fotono energija yra proporcinga šviesos dažniui.
Eksperimente su metalo plokštele, kiekvieną fotoną galima įsivaizduoti kaip dalelę, atsitrenkiančią į elektroną ir išmušančią jį iš metalo. Proceso metu dalis energijos prarandama, tad gaunamų elektronų energija lygi krentančio fotono energijos ir elektrono išlaisvinimui sunaudotos energijos skirtumui. Taigi, gautų fotoelektronų energija priklausys nuo krentančios šviesos dažnio, bet ne intensyvumo. Intensyvumas (t.y. į metalą krintančių fotonų skaičius) paveiks tik gautų fotoelektronų skaičių.
A. Einsteino teorija taip pat paaiškina Lernerio minimalų energijos lygį (t. y. dažnį) – jei jis mažesnis už tą, kurio reikia elektronui išlaisvinti iš metalo, elektronai lieka kur buvę.
Amerikietis fizikos eksperimentatorius Robertas Millikanas nebuvo pasirengęs priimti Einsteino teorijos ir visiškai atsisakyti šviesos kaip bangos teorijos. Jis praleido dešimt metų, bandydamas paneigti Einsteino teoriją, bet vėl ir vėl patvirtindavo, kad jo fotoefekto paaiškinimas teisingas. Millikano laimei, Nobelio premiją už savo rezultatus vis vien gavo.
Kur būtume be fotoefekto?
Fotoelektrinis efektas tiesiogiai taikomas fotoelementuose, kur energija gaunama iš fotonų. Tačiau dar svarbesnis fotoelektrinio efekto poveikis kvantų revoliucijos sukėlime. Fizikos eksperimentatoriai pradėjo galvoti apie šviesos prigimtį ir atomų struktūrą, aplinkinio pasaulio pagrindą, visiškai naujai.
Ko gero, didžiausia Einsteino darbų su fotoefektu pamoka yra nepamiršti mąstyti už nusistovėjusių ribų. Jei mūsų įprastos teorijos neveikia, kartais atsakymas gali būti naujų sukūrimas. A. Einsteinas sakė: „Negalime išspręsti savo problemų tokiu pačiu mąstymu, kuriuo jas ir sukūrėm.“
