ფოტოელექტრული ეფექტი 1887 წელს იქნა აღმოჩენილი გარმანელი ფიზიკოსის ჰ.ჰერცის მიერ. ფოტოეფექტის მოვლენის ყველაზე სრული გამოკვლევა 1900 წელს ფ.ლენარდმა შეასრულა. ამ დროისათვის უკვე აღმოჩენილი იყო ელექტრონი (1897 წ. ჯ.ტომსონი), და ნათელი გახდა, რომ ფოტოეფექტი (ან უფრო სწორად -გარე ფოტოეფექტი) ნივთიერებიდან მასზე დაცემული სინათლის მიქმედებით ელექტრონების ამოგდებაში მდგომარეობს.
ნახ. 1-ზე გამოსახულია ფოტოეფექტის გამოსაკვლევი ექსპერიმენტული დანადგარის სქემა.
ნახ. 1.
ფოტოეფექტის შესასწავლი ექსპერიმენტული დანადგარის სქემა.
ექსპერიმენტში გამოყენებული იყო მინის ვაკუუმური ბალონი მეტალის ორი ელექტროდით ზედმიწევნით გასუფთავებული ზედაპირებით. ელექტრონებზე მოდებული იყო გარკვეული U ძაბვა, რომლის პოლარობის შეცვლა ორმაგი გადამრთველის შასუალით შეიძლებოდა. ერთ-ერთი ელექტროდი (კათოდი K) კვარცის სარკმლიდან გარკვეული λ ტალღის სიგრძის მონოქრომატული სინათლით ნათდებოდა. სინათლის უცვლელი ნაკადის პირობებში ხდებოდა ფოტოდენის I ძალის მოდებულ ძაბვაზე დამოკიდებულების დაკვირვება. ნახ. 2-ზე ამგვარი დამოკიდებულების ტიპური მრუდებია გამოსახული, რომლებიც კათოდზე დაცემული სინათლის ნაკადის ორი მნიშვნევობისთვისაა მიღებული.
ნახ. 2.
ფოტოდენის I ძალის დამოკიდებულება მოდებულ ძაბვაზე. მრუდი 2 შეესაბამება უფრო დიდი ინტენსივობის სინათლის ნაკადს შეესაბამაბა. Iн1 და Iн2 – გაჯერების დენებია, Uз – ჩამკეტი პოტენციალი
მრუდები უჩვენებენ, რომ საკმარისად დიდი დადებითი ძაბვის შემთხვევაში A ანოდზე ფოტოდენი გაჯერებულ მდგომარეობას აღწევს, რადგანაც სინათლის მიერ ამიგლეჯილი ყველა ელექტრონმა მიაღწია ანოდს. ფაქიზმა გაზომვებმა უჩვენეს, რომ გაჯერების დენი დაცემული სინათლის ინტენსივობის პირდაპირპროპორციულია. როცა ანოდზე ძაბვა უარყოფითია, ანოდსა და კათოდს შორის ელექტრული ველი ელექტრონებს ამუხრუჭებს. ანოდს შეუძლია მიაღწოის მხოლოდ იმ ელექტრონებმა, რომელთა კინეტიკური ენერგია |eU| -ს აჭარბებს. თუ ძაბვა ანოდზე Uз -ზე ნაკლებია, ფოტოდენი წყდება. Uз-ის გაზომვით შეიძლება ფოტოელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგიის განსაზღვრა:
მეცნიერთა გასაოცრად, U3-ის სიდიდე არ აღმოცნდა დამოკიდებული დაცემული სინათლის ინტენსივობაზე. ფაქიზმა გაზომვებმა უჩვენეს, ჩამკეტი პოტენციალი სინათლის სიხშირის ზრდისას წრფივად იზრდება (ნახ. 3).
ნახ. 3.
ჩამკეტი პოტენციალის Uз დამოკიდებულება დაცემული სინათლის ν სიხშირეზე
მრავალრიცხოვანი ექსპერიმენტატორების მიერ დადგინდა ფოტოეფექტის შემდეგი ძირითადი კანონზომიერებები:
- ფოტოელექტრონების მაქსიმალური კინეტიკური ენერგია წრფივად იზრდება სინათლის სიხშირის გაზრდით და არ არის დამოკიდებული მის ინტენსივობაზე.
- ყოველი ნივთიერებისათვის არსებობს ე.წ. ფოტოეფექტის წითელი საზღვარი, ე.ი. უმცირესი νmin სიხშირე, რომლის დროსაც ჯერ კიდევ შესაძლებელია გარე ფოტოეფექტი.
- კათოდიდან სინათლის მიერ ერთ წამში ამოგლეჯილი ელექტრონების რიცხვი სინათლის ინტენსივობის პირდაპირპროპორციულია.
- ფოტოეფქტი პრაქტიკულად უინერციოა, თუ სინათლის სიხშირე ν > νmin, ფოტოდენი აღიძვრება კათოდის განათების დაწყების თანავე მყისიერად.
ფოტოეფექტის ყველა ეს კანონზომიერება ძირეულად ეწინააღმდეგებოდა კლასიკური ფიზიკის წარმოდგენებს სინათლის ნივთიერებასთან ურთიერთქმედების შესახებ. ტალღური წარმოდგენების თანახმად სინათლის ელექტრომაგნიკური ტალღის საშუალებით ელექტრონს თანდათან უნდა დაეგროვებინა ენერგია, სინათლის ინტენსივიბაზე დამოკიდებული მნიშვნელოვანი დრო იქნებიდა საჭირო, იმისათვის რომ ელექტრონს საკმარისი ენერგია დაეგროვებინა კათოდიდან ამოსაფრენად. გათვლები უჩვენებენ, რომ ეს დრო წუთებით ან საათებით უნდა აღირიცხებიდეს. მაგრამ, გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ელექტრონები კათოდის განათებისთანავე მყისიერად გამოჩნდებიან. ამ მოდელის მიხედვით, ასევე გაუგებარი იყო ფოტოეფექტის წითეკი საზღვრის არსებობა. სინათლის ტალღურ თეორიას არ შეეძლო აეხსნა, თუ რატომ არ არის დამოკიდებული ფოტოელექტრონების ენერგია სინათლის ნაკადის ინტენსივობაზე და მისი მაქსიმალური კინეტიკური ენერგიისს სინათლის სიშირის პროპორციულობა.
ამგვარდ, სინათლის ელექტრომაგნიტურმა თეორიამ ვერ შეძლო ამ კანონზომიერებებია ახსნა.
გამოსავალი აინშტაინმა 1905 წელს იპოვა. ფოტოეფექტის კანონზომიერებები აინშტაინმა თეორიულად ახსნა პლანკის ჰიპოთეზის საფუძველზე, რომ სინათლე გამოსხივდება და შთაინთქმება გარკვეული პორციებით, და ყოველი პორციის ენერგია განისაზღვრება ფორმულით E = hν, სადაც h – პლანკის მუდმივაა. აინშტაინმა გადადგა შემდეგი ნაბიჯი ქვანტური ფიზიკის განვითარებაში. იგი მივიდა დასკვნამდე, რომ სინათლეს წყვეტილი (დისკრეტული) ბუნება აქვს. ელექტრომაგნიტური ტალღა შედგება ცალკეული პორციების - ქვანტებისაგან, რომლებსაც შემდგომში ფოტონები უწოდეს. ნივთიერებასთან ურთიერთქმედებებისას ფოტონი თავის ენერგიას hν სრულად გადასცემს ერთ-ერთ ელექტრონს. ამ ენერგიის ნაწილი ელექტრონს შეუძლია გაფანტოს ნივთიერების ატომებთან დაჯახებისას. ამის გარდა, ელექრონის ენერგიის ნაწილი იხარჯება მეტალი-ჰაერის საზღვარზე პოტენციური ბარიერის გადალახვისას. ამისთვის ელექტრონმა უნდა შეასრულოს გამოსვლის მუშაობა, რომელიც კათოდის მეტალის თვისებებზეა დამოკიდებული. უდიდესი კინეტიკური ენერგია, რომელიც კათოდიდან გამოფრენილ ფოტოელექტრონს შეიძლება ჰქონდეს, განისაზღვრება ენერგიის შენახვის კანონით:
ამ ფორმულას ფოტოეფექტის აინშტაინის განტოლებას უწოდებენ.
აინშტაინის განტოლების საშუალებით შეიძლება აიხსნას გარე ფოტოეფექტის ყველა კანონზომიერება. ამ განტოლებიდან გამოდის მაქსიმალური კინეტიკური ენერგიის სიხშირეზე დამოკიდებულების წრფივობა და სინათლის ინტენსივიბისგან დამოუკიდებლობა, წითელი საზღვრის არსებობა, ფოტოეფექტის არაინერციულობა. ფოტოელექტრონების საერთო რცხვი, რომლებიც კათოდის ზედაპირს ერთ წამში ტოვებენ, პროპორციული უნდა იყოს იმ ფოტონების რიცხვისა, რომლებიც იგივე დრიში ხვდებიან ზედაპირს. აქდან გამოდის, რომ გაჯერების დენი სინათლის ნაკადის ინტენსივობის პირდაპირპროპორციული უნდა იყოს.
აინშტაინის განტოლების თანახმად, ჩამკეტი ძაბვის Uз სიხშირეზე ν დამოკიდებულების სწორის დახრის კუთხის ტანგენსი (ნახ. 3), ტოლია პლანკის h მუდმივას ელექტრონის e მუხტთან ფარდობისა:
ეს საშუალებას იძლევა ექსპერიმენტულად განისაზღვროს პლანკის მუდმივას მნიშვნელობა. ასეთი გაზომვები 1914 წელს მილიკენის მიერ იქნა შესრულებული და აღმოჩნდა კარგ თანხმობაში პლანკის მიერ ნაპოვნ მნიშვნელობასთან. ამ გაზომვებმა შესაძლებელი გახადეს ასევე გამოსვლის A მუშაობის განსაზღვრა:
სადაც c – სინათლის სიჩქარეა, λწ – ფოტოეფექტის წითელი საზღვრის შესაბამისი ტალღის სიგრძეა. მეტალების უმრავლესობისათვის გამოსვლი მუშაობა A რამოდენიმე ელექტრონ-ვოლტის ტოლია (1 ევ = 1,602·10–19 ჯ). ქვანტურ ფიზიკაში ელექტრონ-ვოლტი ხშირად გამოიყებენა ენერგიის საზომ ერTეულად. პლანკიs მუდმივას ელექტონ-ვოლტი.წამში გამისახული მნიშვნელობა, ტოლია
h = 4,136·10–15 ევ·წმ
მეტალებს შორის გამოსვლის ყველეზე მცირე მუშაობით ტუტე ელემენტები გამოირჩევიან. მაგალითად, ნატრიუმისათვის A = 1,9 ევ, რაც შეესაბამება წითერ საზღვარს λწ ≈ 680 ნმ. ამიტომ ფოტოელემენტების (ხილული სინათლის დასაფიქსირებელი მოწყობილობა) კათოდების დასამზადებლად ტუტეების ნაერთებს იყენებენ.
ამგვარად, ფოტოეფქტის კანონი ადასტურებს, რომ სინათლე გამოსხივებისა და შთანთქმის დროს ინ ნაწილაკების მსგავსად იცევა, რომლებმაც ფოტონების ან სინათლის ქვანტების სახელწოდება მიიღეს.
ფოტონის ენერგია ტოლია
E = hν.
ფოტონი ვაკუუმში c სიჩქარით მოძრაობს. ფოტონს მასა არ აქვს, m = 0. ფარდობითობის სპეციელური თეორიის ზოგადი თანაფარდობიდან, რომელიც ნაწილაკის ენერგიას, იმპულსს და მასას აკავშირებს,
E2 = m2c4 + p2c2,
გამოდის, რომ ფოტონს აქვს იმპულსი
ამგვარად, სწავლებამ სინათლის შესახებ, შეასრულა ორი საუკუნის ხანგრძლივობის ბრუნი და კვლავ დაბრუნდა წარმოდგენამდე სინათლის ნაწილაკების - კორპოსკულების შესახებ.
მაგრამ ეს არ იყო ნიუტონის კორპუსკულების თეორიასთან მექანიკური დაბრუნება. XX საუკუნის დასაწყისში ნათელი გახდა, რომ სინათლეს ორმაგი ბუნება აქვს. გავრცელებისას სინათლე ავლენს ტალღურ ბუნებას (ინტერფერენცია, დიფრაქცია, პოლარიზაცია), ხოლო ნივთიერებებთან ურთიერთქმედებებისას - კორპუსკულურს (ფოტოეფექტი). სინათლის ამ ორმაგმა ბუნებამ კორპუსკულურ-ტალღური დუალიზმის სახელწოდება მიიღო. მოგვიანებით ორმაგი ბუნება აღმოაჩნდათ ელექტრონებს და სხვა ელემენტარულ ნაწილაკებს. კლასიკურ ფიზიკას არ შეუძლია მიკროობიექტების ტალღური და კორპოსკულური ბუნების კომბინაციის ნათელი მოდელის შექმნა. მიკროობიექტების მოძრაობა იმართება არა ნიუტონის კლასიკური მექანიკით, არამედ ქვანტური ფიზიკის კანონებით. პლანკის მიერ განვითარებული აბსოლუტურად შავი სხეულის გამოსხივების თეორია და ეინშტეინის ფოტოელექტრული ეფექტის თეორია თანამედროვე ფიზიკის საფუძველს წარმოადგენენ.