נגישות
headline
Error processing SSI file




המודל הדואלי של האור


פתרון האפקט הפוטואלקטרי

הראשון שנתן הסבר פיזיקאלי מלא לתופעה הפוטואלקטרית, תוך קישור בין אנרגיית האור לתדר שלו היה הפיזיקאי הצעיר אלברט איינשטיין.

בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטיין את ההסבר שלו לתופעה הפוטואלקטרית, תוך שימוש במושג החדש פוטון. בשביל להסביר את התופעה הפוטואלקטרית הוא הציע לראות את האור כאוסף של פוטונים, כאשר כל אחד מהם נושא עימו כמות אנרגיה, קוונטה, התלויה בתדר של האור.

איינשטיין נשען על עבודתו של פלאנק שהגדיר את האנרגיה כאוסף של מנות אנרגיה בדידות – כל אחת מהן מהווה קוונטה של אנרגיה התלויה בתדר הגל (או באורך הגל) לפי המשוואה הבאה,

E = h ν

קשר זה, המצביע על יחס ישר בין תדר הקרינה ובין האנרגיה שכל פוטון בה יכול לספק, התיישב עם העובדות המוזרות שנצפו בתופעה הפוטואלקטרית.

במקרה של קרינה אלקטרומגנטית שמהירותה היא מהירות האור c נקבל את המשוואה,

E = h c / λ

במקום לראות את האור כגל הפוגע באלקטרון ומספק לו את אנרגית הגל התלויה במשרעת של הגל (עוצמת ההארה) יש לראות את האור כאוסף של חלקיקים מיוחדים שכל אחד מהם נושא כמות אנרגיה התלויה בתדר הגל. חלקיק האור המיוחד זכה מאוחר יותר לשם פוטון. כל פוטון בודד יכול להעביר את האנרגיה שלו, התלויה בתדר האור, לאלקטרון בודד. כלומר, אלקטרון יכול לקבל אנרגיה במנות קבועות ושלמות בלבד – מספר שלם של פוטונים.

בניסוי של האפקט הפוטואלקטרי נקבל שעוצמת הארה גדולה יותר תתבטא בהימצאותם של יותר פוטונים, כך שהסיכוי להתנגשות של פוטון עם אלקטרון גדלה. הגדלת הסיכוי להתנגשות בין הפוטונים לאלקטרונים גורמת לכך שיותר אלקטרונים יפגעו ויוכלו להשתחרר מהמתכת, זאת בתנאי כמובן שהאנרגיה שכל פוטון בודד נושא עימו מספיקה להביא לכדי שחרורו. אם האנרגיה שכל פוטון נושא עימו היא לא מספיקה כדי להביא לשחרורו של האלקטרון, אז לא נקבל זרימה של זרם חשמלי ואין זה משנה כמה פוטונים יהיו בנמצא וכמה התנגשויות שלהם עם אלקטרונים יתרחשו.

כדי לתת הסבר נוסף ואולי אף טוב יותר נשתמש בדוגמה המוחשית של גל בים. נדמיין גל ים המתקדם לעבר החוף עד שהוא מתנפץ על צוק כורכר. הגל נושא עימו אנרגיה ובעזרתה הוא מכה בצוק ומפורר אותו. ככל שהגל גבוה יותר כך המכה שהוא מכה בצוק תהיה חזקה יותר עם יותר אנרגיה. בנוסף, ככל שקצב הופעת הגלים בים, התדר בו הם מופיעים, יהיה גבוה יותר, כך הצוק יספוג יותר מכות – יותר אנרגיה מיותר גלים בפרק זמן מוגדר.

אם כך ישנם שני גורמים המגדירים את כמות האנרגיה שהגל שבים נושא ומעביר לצוק: המשרעת של הגל שהיא העוצמה שלו והתדר של הגל.

גם המשרעת של הגל וגם התדר של הגל קובעים את כמות האנרגיה שהוא נושא עימו. התדר קובע את גודל קוונטת האנרגיה – זוהי כמות האנרגיה שנושא כל פוטון בודד בגל. המשרעת קובעת את כמות הפוטונים בגל.

בזכות ההסבר של איינשטיין קיבלנו הסבר לתופעה הפוטואלקטרית המתיישב עם העובדות המתקבלות בניסוי תוך שינוי בעוצמת האור ובתדר האור. אך הסבר זה מקנה לאור אופי חלקיקי בצורת פוטונים הנושאים עימם את אנרגית האור.

אז האם יש לראות את האור הנראה, או כל גל אלקטרומגנטי לצורך העניין, כתופעה גלית או חלקיקית?

תשובה על כך יספק המדע בהמשך.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - קרינה וחומר | קרינה וחומר - המודל הדואלי של האור : קרינת X | קרינת גוף שחור | חידת הקטסטרופה של האולטרא-סגול | קבוע פלאנק וקוונטת אנרגיה | חידת האפקט הפוטואלקטרי | פתרון האפקט הפוטואלקטרי | אפקט קומפטון | המודל הדואלי של קרינה אלקטרומגנטית | סיכום ]