אם נקרין אור אולטרא סגול על מתכת, האוויר שמסביב למתכת יטען במטען חשמלי שלילי. זהו למעשה התוצא הפוטואלקטרי. בתופעה זו נפלטים אלקטרונים מפני המתכת כאשר קרינה אלקטרומגנטית פוגעת ונבלעת בה.

התוצא הפוטואלקטרי: אור הפוגע במתכת גורם לשחרור אלקטרונים

את התוצא הזה לא ניתן להסביר בעזרת התיאוריה הגלית של האור ולמעשה התוצא הפוטואלקטרי הנו אחד מאבני הדרך להבנת מכניקת הקוונטים. איינשטיין נתן הסבר לתוצא זה ולפיו האור מורכב מאוסף של חלקיקים,פוטונים, שלכל אחד מהם אנרגיה. האור מגיע במנות (קוונטות) של אנרגיה והאנרגיה של כל מנה שכזו פרופורציונלית לתדירות של האור. ברגע שפוטון פוגע בפני המתכת, הפוטון נעלם וכל האנרגיה שלו עוברת לאחד האלקטרונים שבמתכת.

לכל מתכת יש אנרגית סף מינימלית (אופינית לאותה מתכת) כך שאלקטרונים יכולים להתנתק מהמתכת רק אם האנרגיה (תדירות) של כל פוטון פוגע תהיה גדולה מאנרגית סף זו.

הסבר חלקיקי זה מבהיר לנו מדוע לכל מתכת קיימת תדירות סף, אשר אור בעל תדירות נמוכה יותר לא יגרום לפליטת אלקטרונים ממנה, ללא תלות בעוצמת האור. זה גם מסביר לנו מדוע כשאנו מגדילים את עוצמת האור מה שגדל זה רק את מספר הפוטונים. במקרה זה התדירות של כל פוטון אינה גדלה. לכן על מנת לשחרר אלקטרונים מהמתכת אנו לא צריכים להגביר את עוצמת האור הפוגע. מה שעלינו לעשות זה פשוט להגדיל את תדירות הפוטונים, כלומר להשתמש באור בעל אורך גל קצר יותר.


 

התוצא הפוטואלקטרי: אור הפוגע במתכת גורם לשחרור אלקטרונים

את התוצא הזה לא ניתן להסביר בעזרת התיאוריה הגלית של האור ולמעשה התוצא הפוטואלקטרי הנו אחד מאבני הדרך להבנת מכניקת הקוונטים. איינשטיין נתן הסבר לתוצא זה ולפיו האור מורכב מאוסף של חלקיקים,פוטונים, שלכל אחד מהם אנרגיה. האור מגיע במנות (קוונטות) של אנרגיה והאנרגיה של כל מנה שכזו פרופורציונלית לתדירות של האור. ברגע שפוטון פוגע בפני המתכת, הפוטון נעלם וכל האנרגיה שלו עוברת לאחד האלקטרונים שבמתכת.

לכל מתכת יש אנרגית סף מינימלית (אופינית לאותה מתכת) כך שאלקטרונים יכולים להתנתק מהמתכת רק אם האנרגיה (תדירות) של כל פוטון פוגע תהיה גדולה מאנרגית סף זו.

הסבר חלקיקי זה מבהיר לנו מדוע לכל מתכת קיימת תדירות סף, אשר אור בעל תדירות נמוכה יותר לא יגרום לפליטת אלקטרונים ממנה, ללא תלות בעוצמת האור. זה גם מסביר לנו מדוע כשאנו מגדילים את עוצמת האור מה שגדל זה רק את מספר הפוטונים. במקרה זה התדירות של כל פוטון אינה גדלה. לכן על מנת לשחרר אלקטרונים מהמתכת אנו לא צריכים להגביר את עוצמת האור הפוגע. מה שעלינו לעשות זה פשוט להגדיל את תדירות הפוטונים, כלומר להשתמש באור בעל אורך גל קצר יותר.


האלקטרונים המשתחחרים מהמתכת, כתוצאה מפגיעת קרינה אלקטרומגנטית, יכולים לגרום לזרם במערכת סגורה

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

6 תגובות

  • עומר

    שימושים באפקט פוטואלקטרי

    מהם השימושים שניתן להפיק מאפקט זה? אשמח בבקשה להסבר כיצד.

  • א

    לוחות סולארים

  • מיכל זוניס

    לא הבנתי, תדירות זו אנרגיה?

    לא הבנתי, תדירות זו אנרגיה?
    האם אורך גל קצר יותר, תדירות גבוהה יותר, אומרים שהחלקיק נע מהר יותר? לא הבנתי איך התדירות מתקשרת לאנרגיה.

  • א

    תדירות * קבוע פלאנק = אנרגייה

    תדירות * קבוע פלאנק = אנרגייה תדירות נמצא ביחס ישר לאנרגיה
    תדירות* אורך גל = מהירות הגל כך שאורך הגל נמצא ביחס הפוך לתדירות

  • שרית

    מתכות

    האם האפקט הפוטואלקטרי תקף רק על מתכות או שכך קורה גם עם אל- מתכות כגון פחמן וחנקן?

  • א

    בתאוריה כן אבל כמות האנרגיה

    בתאוריה כן אבל כמות האנרגיה שצריך כדי לגרום לאפקט הוא הרבה יותר גדול בגלל שלאל מתכות אין אלקטרונים חופשיים שנעים בתוכה שקל להפרדים אותם
    אבל כל חומר יש לו פוטנציאל לאפקט בגלל שהאפקט עובד על אטומים וכל מורכב מאטומים
    כדי להבין למה כדאי לקרוא על מבנה האטום של בוהר ועל ספקטרום פליטה ובליעה