כשהאור פוגע
בחומר

משחר ימי האנושות, הרבה לפני שלמדנו להבין את הפיזיקה העומדת מאחוריהם, בני האדם השתאו לנוכח הגלגולים הבלתי פוסקים שעוברת האנרגיה, וחיפשו דרכים לנצל את הללו באמצעות העברת האנרגיה מצורה אחת לאחרת. מגלגלי מים ועד סכרים וטורבינות; סוסים שמושכים כרכרות ומנועים של מכוניות; סוללות קטנות וגדולות, וכמובן תאים סולריים שממירים את אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית.

לא ברור אם השאלה מדוע אפשר לרתום את השמש להפקת חשמל באמת הטרידה את מגלה האפקט הפוטו-וולטאי, הפיזיקאי הצרפתי אדמונד בקרל (Becquerel), כשזיהה את התופעה לפני כמאתיים שנה. מה שברור הוא שחלפו עוד כמעט שבעים שנה לפני שאלברט איינשטיין הניח את היסודות התיאורטיים להבנת התופעה. האפקט הפוטואלקטרי, שעליו הוענק לאיינשטיין פרס נובל, קשור בעבותות לאפקט הפוטו-וולטאי, למרות ההבדל הדק ביניהם.

ההסבר שפתר תעלומה פיזיקלית ארוכת שנים: מדוע גלים מסוימים גורמים לפליטת אלקטרונים מהחומר? בול שהונפק בגרמניה (המערבית) ב-1979 לציון האפקט הפוטואלקטרי | מקור: Galyamin Sergej, Shutterstock

גלים של הבנה

הרבה לפני בקרל ואיינשטיין, אייזק ניוטון חקר את צפונות הטבע כפי שהבינו אותן בימיו: תנועה, חום ואור. על החשמל הוא כמובן לא ידע דבר, שכן התיאוריה האלקטרומגנטית נולדה רק בשלהי המאה ה-18. בימים ההם החיבור בין אור לבין תחומי הפיזיקה האחרים לא היה מובן מאליו, והאופטיקה נחשבה תחום נפרד. ניוטון עוד האמין שהאור בנוי מחלקיקים שהוא כינה "קורפוסקלים" (גופיפים).

במשך כמה מאות שנים לא נמצאו לכאורה ממצאים שסתרו את תפיסתו של ניוטון. עם זאת, במהלך המאה ה-19 הלכה והתפתחה התפיסה הרואה באור לא חלקיק אלא גל, והיא הצליחה להסביר שלל תופעות באופטיקה. ערב המאה ה-20 זאת הייתה הגישה הדומיננטית במה שנוגע לטבעו של האור. דבר מרכזי אחד היא לא הסבירה: האפקט הפוטו-וולטאי.

אחד המאפיינים של גל הוא הגובה המרבי שאליו הוא מגיע מעל לנקודת האמצע שלו. הגובה הזה מכונה משרעת הגל. ריבוע הגודל הזה נקרא עוצמת הגל, ולפי מכניקת הגלים האנרגיה של גל מובנית בעוצמתו: למשל האנרגיה של גל גבוה בים עולה על זאת של גל פחות גבוה; האנרגיה של ילד שיושב בנדנדה גדלה ככל ששיא הגובה שאליו הוא מגיע בתנודותיו גדול יותר.

לפי העיקרון הזה, כשמאירים על מתכת באור חזק מספיק, כלומר בעוצמה גדולה דיה, במוקדם או במאוחר ייפלט ממנה מטען חשמלי. את הקשר הסיבתי בין האור המוקרן למטען הנפלט זיהה היינריך הרץ (Hertz) כבר ב-1887, כשהאיר על מתכת באור על-סגול ומדד מטען חשמלי שלילי בסביבת לוח המתכת. אבל מהניסויים הללו התברר שצריך לקלוע בול: קרינה מסוימת תגרום למטען להתנתק מהמתכת, וקרינה אחרת לא. וכאן יש לנו בעיה, כי הרי אמרנו שהאנרגיה של גל תלויה בעוצמה שלו, והנה כאן העוצמה לבדה לא מספיקה כדי לגרום לפליטה של מטען. אז מכניקת הגלים נכשלת?

אנרגיה מתאימה משחררת את האלקטרונים מאטומי החומר, תכונה שיש לה שימושים רבים במדע ובטכנולוגיה | איור: zizou7, Shutterstock

בחזרה לאיינשטיין

בשנת 1905 פרסם איינשטיין ארבעה מאמרים מכוננים, בשלושה ענפים שונים של הפיזיקה, כל מאמר בנושא אחר, וכל אחד מהם היה אבן דרך מרכזית בתחומו. אחד מהם, שכותרתו על נקודת מבט היוריסטית בייצור והעברה של אור, התמקד בטבעו החלקיקי של האור, והנה מטוטלת ההיסטוריה חוזרת לניוטון.

איינשטיין טען שהאור מגיע במנות בדידות, ושהאנרגיה של כל מנה לא תלויה במשרעת של גל האור, אלא רק בתדירות שלו – כלומר התכונה שאנחנו מחשיבים כצבע בטווח האור הנראה. ככל שתדירות האור עולה, גם האנרגיה של האור גדולה יותר. מנת האור הזו היא חלקיק בודד של אור, שכיום קוראים לו פוטון. עקרון המנות הבדידות, שנקראות "קוונטות", עומד בבסיס תורת הקוונטים והעניק לה את שמה. עוצמת האור מתאימה למספר הפוטונים שמקור האור פולט ביחידת זמן.

את כל זה חזה איינשטיין מתוך שיקולים תרמודינמיים. הוא נעזר גם במאמר קודם של מקס פלנק (Planck), שבשנת 1900 ניסח חוק המתאר את ספקטרום האנרגיות של גוף שפולט קרינה בכל אורכי הגל (גוף שחור). פלנק הבחין שהקרינה נפלטת במנות בדידות, והצעד הנוסף של איינשטיין היה שהוא ייחס את המנות הללו לחלקיקי האור שהוא חזה.

המשמעות התפיסתית של גילוי התופעה הזאת, שכונתה "האפקט הפוטואלקטרי" הייתה עמוקה. בעקבות זאת הבינו הפיזיקאים שמה שחשוב הוא התדירות של האור המוקרן; אם האלקטרונים קשורים בצורה חזקה מאוד למתכת, נצטרך להשקיע אנרגיה הולמת כדי לשחרר אותם לחלל העולם, כלומר להקרין אור שתדירותו גבוהה מספיק. פער האנרגיה בין המצב שבו האלקטרונים קשורים היטב למתכת, לזה שבו הם חופשיים, נקרא "פונקציית העבודה" של המתכת.

אם נקרין אור שהאנרגיה שלו נמוכה מפונקציית העבודה, לא ישתחרר אפילו אלקטרון אחד. אם נקרין אור שהאנרגיה שלו גדולה מפונקציית העבודה, האלקטרונים שישתחררו יהיו מהירים יותר, כי תהיה להם אנרגיה עודפת. ומה בכל זאת הקשר לעוצמת האור? אור בעוצמה רבה משמעו שטף גדול יותר של חלקיקי אור שפוגעים במתכת. אם התדירות מתאימה, אור בעוצמה רבה יותר יביא לשחרור של יותר אלקטרונים.

באפקט הפוטו-וולטאי המצב דומה אך שונה. פוטונים שמגיעים מהשמש פוגעים בלוחות הסולריים, אך במקום שישחררו את החלקיקים נושאי המטעם החשמלי לחלל החופשי, הם נשארים כלואים בתוך החומר. בלי להיכנס לפרטים, הפרדת המטענים החשמליים בחומר, כלומר ההפרדה בין נושאי מטען שהשתחררו לבין אלה שלא, יוצרת מתח חשמלי ולכן גם זרם חשמלי שאפשר לנצל בתור אנרגיה חשמלית. מבחינת התיאוריה, ההבנה היסודית לגבי טבעו החלקיקי של האור היא זו שמאפשרת לנו להבין גם את האפקט הפוטו-וולטאי, גם אם המנגנון המדויק הוא אחר.

האלקטרונים לא משתחררים מהחומר, אלא נעים בתוכו, מה שמוביל ליצירת מתח חשמלי. האפקט הפוטו-וולטאי | איור: Kidzkamba, Shutterstock

הפרס הלא נכון לאדם הנכון

אף שאיינשטיין הגיע בחייו להישגים רבים, ובראשם פיתוח היחסות הפרטית והכללית, ואף דחף בעקיפין לפרויקט מנהטן לפיתוח פצצת הגרעין הראשונה, דווקא האפקט הפוטואלקטרי הביא לו את פרס נובל. מדוע זה כך? הרי אין ספק שתורת היחסות רחבה וחשובה הרבה יותר.

נראה כי דווקא מהפכנותה של היחסות הייתה בעוכריה. חלפו כמה וכמה שנים עד שהתיאוריה פורצת הדרך קנתה לה אחיזה בקהילה המדעית ומבקריה הודו בטעותם. גם הראיות הניסויות לנכונותה, ובראשן ניסוי ליקוי החמה המפורסם של 1919, נתקלו בתחילה בלא מעט ביקורת, ונדרש זמן כדי לשלול ולהפריך אותה. לכל אלה הצטרפה לא מעט אנטישמיות שרווחה בקהילת המדע הגרמנית, שהייתה אחת המובילות בשנים שבין שתי מלחמות העולם. 

לעומת זאת, האפקט הפוטואלקטרי היה קל בהרבה לעיכול, ופתר תעלומה מדעית ותיקה ועקשנית. ב-1921 גבר הלחץ בקהילת המדע הבינלאומית להעניק לאיינשטיין את פרס נובל, והמחלוקת על כך הובילה בסופו של דבר לכך שבשנה הזאת לא הוענק הפרס כלל. רק שנה לאחר מכן השתכנעו חברי ועדת פרס נובל לפיזיקה שאי אפשר לדחות עוד את ההחלטה המתבקשת. אך הפרס ניתן לו "על תרומתו לפיזיקה התיאורטית, ובפרט על האפקט הפוטואלקטרי", והוענק לו רטרואקטיבית לשנת 1921.

איינשטיין עצמו לא יצא מגדרו על קבלת הפרס המכובד, שלא ניתן לו על מה שהחשיב בצדק כפסגת עשייתו המדעית. כשהוכרז על זכייתו בשלהי 1922 הוא שהה ביפן, ובחר לא לשנות את תוכניותיו ולא לנסוע לקבל את הפרס ממלך שבדיה. רק ביולי 1923 הוא נשא את הרצאת הנובל שלו, שעסקה במופגן ביחסות – התרסה ברורה כלפי ועדת הפרס. כך, בבוטות לא יחסית (ואף לא יחסותית), העביר את המסר שהיחסות היא הישגו הגדול ביותר. גם בהמשך חייו הוא לא ציין את פרס נובל בין הישגיו.

מאז חלפו 120 שנה של פיזיקה. השימושים הרבים של האפקט הפוטואלקטרי ושל עמיתו הפוטו-וולטאי הפכו אותו לאחת מאבני היסוד של המדע והטכנולוגיה העכשוויים – משלטי טלוויזיה ועד מכשירי ראיית לילה. יהיה מעניין לראות אם כפי שאיינשטיין לימד אותנו להסתכל אחרת על האור, מדעני העתיד יאתגרו בתורם גם את הגישה הנוכחית.