האפקט הפוטואלקטרי, שהוא התופעה שעליה זכה אלברט אינשטיין בפרס נובל (ובניגוד למה שרבים חושבים הפרס דווקא לא ניתן לו על תורת היחסות, שעדיין הייתה שנויה במחלוקת), הוא תופעה משמעותית ביותר. הוא מה שמוכיח שהאור מתחלק למנות בדידות (קוונטים), ושהוא נושא אנרגיה ביחידות בדידות: הפוטונים.
בניסוי לבדיקת האפקט הזה, שתי אלקטרודות נמצאות במרחק מה זו מזו וקיים ביניהן מתח כלשהו. במצב הזה אין זרם, שכן המתח שמופעל אינו גבוה מספיק כדי לקרוע אלקטרונים מאלקטרודה אחת לשנייה. כעת מכוונים אור אל אחת האלקטרודות. לאורך הניסוי אפשר לשנות את עוצמת האור או את אורך הגל שלו, וכן את המתח בין האלקטרודות, ולמדוד את הזרם שעובר ביניהן.
מאחורי הניסוי עומד רעיון פשוט אך גאוני. ידוע שבכל מתכת האלקטרונים קשורים אליה ולכן צריך להשקיע כמות מסוימת של אנרגיה כדי לקרוע ממנה אלקטרון. האנרגיה הזו מכונה "פונקציית העבודה". אם נצליח לתת לאלקטרון בדיוק את כמות האנרגיה הזאת, הוא ייפלט מהמתכת בלי כל השקעה של אנרגיה. אם ניתן לו יותר, הוא ייפלט עם אנרגיה ויעוף לכיוון האלקטרודה השנייה. כעת נוכל לכוון את המתח שבין האלקטרודות, בין מצב שבו יש זרם למצב שבו הזרם נפסק. כאשר הזרם נפסק אנו יודעים שהמתח מספיק בדיוק כדי לעצור את תנועת האלקטרונים, וכך אפשר לדעת באיזו אנרגיה האלקטרונים נפלטים מהמתכת.
את האנרגיה שמאפשרת להוציא אותם מהמתכת האלקטרונים מקבלים מהאור. אילו האור היה נושא אנרגיה באופן רציף, אורך הגל שלו לא היה משנה דבר ויכולנו בכל אורך גל להגדיל את עוצמת התאורה יותר ויותר עד שבסוף היינו צוברים מספיק אנרגיה כדי לשחרר אלקטרונים מהמתכת.
אולם מאחר שהאנרגיה של האור נישאת על ידי פוטונים – שהם חלקיקים – שלכל אחד מהם אנרגיה קבועה התלויה באורך הגל, עוצמת האור משנה רק את מספר הפוטונים. אם לפוטון בודד אין מספיק אנרגיה כדי לשחרר אלקטרון מהמתכת, לא משנה כמה פוטונים נשלח לכיוון המתכת והאלקטרונים לא ישתחררו ממנה.
לכן רק שינוי של אורך הגל ייצור זרם. מובן שאחרי שנגיע למצב שבו יש לכל פוטון מספיק אנרגיה כדי לשחרר אלקטרון מהמתכת, הזרם יגדל ככל שנשלח יותר פוטונים – כלומר נגביר את עוצמת האור – שכן יותר אלקטרונים ישתחררו מהמתכת.
הניסוי באמת הוכיח שאנרגיית האור נישאת על ידי הפוטונים ושהאנרגיה של כל פוטון תלויה באורך הגל שלו. התגלית הזו אישרה את הנחת היסוד של מכניקת הקוונטים ופתחה תחום מחקר חדש של אינטראקציות בין פוטונים לאלקטרונים.
לצפייה ביישומון, לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון JAVA).
היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו JavaWeb לפי ההוראות שבקישור.
ביישומון הזה תוכלו לשלוט על פרטי הניסוי. המנורה תאפשר לכם לשלוט בשני פרמטרים – אורך הגל של האור הפוגע ועוצמת האור. למטה, ליד הבטריה, תוכלו לשלוט במתח המופעל בין האלקטרודות. אחרי שתקבעו את הפרמטרים תוכלו לראות את האלקטרונים הנפלטים מהמתכת ואת מה שקורה להם. בצד ימין תוכלו לבחור לצייר גרפים של הזרם הנמדד כפונקציה של הפרמטרים שתשנו.
נסו לבדוק את מהות הניסוי, תחילה עמדו במתח אפס בין האלקטרודות ושנו רק את אורך הגל. תגלו שרק מאורך גל מסוים והלאה האלקטרונים מתחילים להיפלט. לאחר מכן שחקו בעוצמת האור באורכי גל שונים וראו איך היא משפיעה. ולבסוף הוסיפו גם את המתח שבין האלקטרודות. בדקו אם אתם מבינים את התופעה
תוכלו לחזור על הניסוי עם מתכות שונות, שלכל אחת מהן פונקציית עבודה שונה.
אתם מוזמנים לשאול שאלות ולכתוב תגובות על תוצאות מעניינות שקיבלתם ואיך אתם מפרשים אותן.
ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
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 ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
