ΤΟ ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

Το 1921 ο Αlbert Εinstein κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για την εργασία του πάνω στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.  Τι είναι όμως το φαινόμενο αυτό και γιατί είναι τόσο σημαντικό;  Ποιες ήταν οι αδυναμίες της κλασικής φυσικής στο να ερμηνεύσει το φαινόμενο;  Προτού όμως περάσουμε στο φαινόμενο αυτό καθαυτό ας πούμε δυο λόγια για το φως και την φύση του προκειμένου να κατανοήσουμε την έννοια του φωτονίου.

Η ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ

Το 1690 ο Christian Huygens δημοσιεύει μία εργασία στην οποία πραγματεύεται το φως και σε αυτήν υποστηρίζει ότι το φως είναι κύμα το οποίο διαδίδεται στον αιθέρα.  Λίγα χρόνια αργότερα, πιο συγκεκριμένα,  το 1704 ο Ισαάκ Νεύτων τίθεται ενάντια σε αυτήν την σκέψη παρατηρώντας πως το φως όταν προσπέσει σε μία επιφάνεια συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο που θα συμπεριφερόταν μία ελαστική μπάλα εάν προσπέσει στην ίδια επιφάνεια.  Δηλαδή η γωνία πρόσπτωσης είναι ίση με τη γωνία ανάκλασης.  Έτσι λοιπόν το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε να εξηγηθεί αν το φως αποτελούνταν από σωματίδια.  Άρα τελικά τι είναι το φως,  σωματίδιο ή κύμα; Ερχόμαστε στο 1801 με πρωταγωνιστή τον Thomas Young ο οποίος θα πραγματοποιήσει ένα πείραμα δίνοντας ξεκάθαρο προβάδισμα στην ιδέα του Huygens για την κυματική φύση του φωτός.  Το πείραμα αυτό δεν ήταν άλλο από το διάσημο πείραμα της διπλής σχισμής στο οποίο όταν φως προπέσει  σε μία επιφάνεια με δύο λεπτές σχισμές η εικόνα που εμφανίζεται στο πέτασμα από πίσω είναι μία εικόνα στην οποία εμφανίζονται φωτεινές και σκοτεινές ζώνες οι οποίες εναλλάσσονται.  Είναι δηλαδή μία εικόνα συμβολής, μία εικόνα που μας δείχνει τον τρόπο συμπεριφοράς των κυμάτων.  Και λίγο αργότερα έχουμε την τοποθέτηση του μεγάλου James Clerk Maxwell ο οποίος μας λέει πως το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα.  Και φτάνουμε σε δύο χρονολογίες που θα μας πουν είναι τελικά το φως. 1900 και ο πατέρας της κβαντικής φυσικής Μαξ Πλανκ κάνει λόγο για την ενέργεια των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων και μας λέει πως η ενέργεια αυτή δεν είναι μία συνεχής ποσότητα αλλά είναι χωρισμένη σε διακριτές ποσότητες, σε πακέτα ενέργειας.  Και πάνω σε αυτήν την λογική πατάει ο Αlbert Εinstein και καταλήγει στο συμπέρασμα πως άδικος διαφωνούσαμε.  Το φως είναι και κύμα και σωματίδιο,  με την ενέργειά του κάθε σωματιδίου να είναι ανάλογη με την συχνότητα του κύματος.

ΦΩΤΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

Σύμφωνα με τον ορισμό το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι μία κβαντική διαδικασία κατά την οποία απελευθερώνονται ηλεκτρόνια από μία μεταλλική επιφάνεια όταν σε αυτήν προσπέσει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας τέτοιας ώστε τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται σε αυτήν να υπερπηδήσουν το φράγμα δυναμικής ενέργειας που τα συγκρατεί στην επιφάνεια αυτή.  Φανταστείτε ότι έχουμε μία μεταλλική επιφάνεια και η επιφάνεια αυτή έχει ηλεκτρόνια και τα ηλεκτρόνια αυτά βρίσκονται πάνω στο μέταλλο και δεν φεύγουν από αυτό διότι συγκρατούνται από κάποιες ελκτικές δυνάμεις.  Από τις ελκτικές δυνάμεις που αναπτύσσονται μεταξύ αυτών και των θετικά φορτισμένων πυρήνων.  Ας υποθέσουμε τώρα ότι ρίχνουμε φως μιας συγκεκριμένης συχνότητας πάνω σε αυτήν την επιφάνεια.  Άρα λοιπόν το φωτόνιο μας θα χτυπήσει το ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην επιφάνεια και αν το φωτόνιο έχει αρκετή ενέργεια τότε θα απελευθερωθούν τα ηλεκτρόνια από την επιφάνεια.

Άρα λοιπόν το ηλεκτρόνιο μάζας m,  θα φύγει από την επιφάνεια με μία συγκεκριμένη ταχύτητα και έτσι θα αποκτήσει μία κινητική ενέργεια.  Το σημαντικό κομμάτι σε αυτή την ιστορία είναι πως για να απελευθερωθεί το ηλεκτρόνιο θα πρέπει να προσλάβει ένα ελάχιστο ποσό ενέργειας προκειμένου να υπερνικήσει τις δυνάμεις που το συγκρατούν στη μεταλλική επιφάνεια.  Την ενέργεια αυτήν την ονομάζουμε έργο εξαγωγής και την συμβολίζουμε με το γράμμα Φ.  Το έργο εξαγωγής ποικίλλει από μέταλλο σε μέταλλο.  Αν δούμε ενεργειακά το φαινόμενο,  και όταν λέω ενεργειακά εννοώ να έχουμε κατά νου την αρχή διατήρηση της ενέργειας, τότε θα συμβούν τα εξής πράγματα.  Το φως αποτελείται όπως είπαμε από μικρά πακέτα ενέργειας τα φωτόνια.  Η ενέργεια του κάθε φωτονίου μπορεί να υπολογιστεί από το μαθηματικό τύπο Ε = h*f όπου f είναι η συχνότητα και h σταθερά του πλανκ.   Όπως είπαμε λοιπόν το φωτόνιο φέρει ένα ποσό ενέργειας…  Και πού θα πάει αυτή η ενέργεια;  Ένα ποσό από αυτήν την ενέργεια θα την απορροφήσει το ηλεκτρόνιο προκειμένου να ξεκολλήσει από την επιφάνεια άρα ένα ποσό από την ενέργεια του φωτονίου θα γίνει έργο εξαγωγής και το υπόλοιπο ποσό εφόσον το ηλεκτρόνιο μας θα τεθεί σε κίνηση θα γίνει κινητική ενέργεια και έτσι καταλήγουμε στον τύπο του φωτοηλεκτρικό φαινόμενο.

ΑΔΥΝΑΜΙΕΣ ΤΗΣ ΚΛΑΣΣΙΚΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ

Η κλασική φυσική μας λέει πως ένα σώμα απορροφά η εκπέμπει ενέργεια κατά συνεχή τρόπο.  Σύμφωνα με αυτή την σκέψη λοιπόν το ηλεκτρόνιο θα μπορούσε να απελευθερωθεί από μία μεταλλική επιφάνεια απορροφώντας αθροιστικά την ενέργεια που πέφτει σε αυτά και μάλιστα ανεξαρτήτως συχνότητας.  Και εδώ είναι το πρόβλημα διότι στο φαινόμενο παρατηρείται η ύπαρξη της συχνότητας κατωφλίου.  Και τι είναι αυτή η συχνότητα;  Αν παρακολουθήσετε την απόδειξη  που έχω κάνει στον τελευταίο πίνακα θα δείτε πώς αυτό που θέλουμε είναι τι;  Είναι η αποκόλληση του ηλεκτρονίου,  άρα η κίνηση του, άρα το ηλεκτρόνιο αυτό θα έχει μία κινητική ενέργεια.

Έτσι, λοιπόν, καταλήγουμε στη συγκεκριμένη ανίσωση και αν λύσουμε ως προς τη συχνότητα και μελετήσουμε την οριακή περίπτωση της ισότητας θα προκύψει η συχνότητα κατωφλίου.  Είναι δηλαδή η ελάχιστη συχνότητα που πρέπει να έχει το φωτόνιο προκειμένου να αποκολλήσει το ηλεκτρόνιο από τη μεταλλική επιφάνεια.  Ένα δεύτερο πρόβλημα  στην ερμηνεία σύμφωνα με την κλασική φυσική είναι πως η απελευθέρωση των ηλεκτρονίων θα απαιτούσε τον φωτισμό της μεταλλικής πλάκας για κάποιο χρονικό διάστημα προκειμένου να απορροφήσει το ηλεκτρόνιο το κατάλληλο ποσό ενέργειας.  Κάτι που δεν ισχύει. Η διαδικασία αυτή συμβαίνει σχεδόν ακαριαία.  Αυτό ήταν λοιπόν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο!