המודל הדואלי של האור

חידת האפקט הפוטואלקטרי

בחלק הקודם, הדן במודל הגלי של האור, למדנו כי האור הנראה הוא גל אלקטרומגנטי הנמצא בתחום תדרים מצומצם בתוך ספקטרום הגלים הרחב של הגלים האלקטרומגנטיים. בכך נראה שהמודל החלקיקי של האור של ניוטון אינו תקף יותר וניתן לזנוח אותו. אכן, במהלך המאה ה-19, עם גילוי התופעות הגליות של האור וההבנה שהאור מתפקד כגל אלקטרומגנטי החלה להתערער התמיכה של אנשי המדע במודל החלקיקי של האור.

אך תופעה פיזיקאלית חדשה הקשורה באור, שנידונה בתחילת המאה ה-20, העמידה את עולם המדע בדילמה חוזרת. האם האור הוא באמת אכן גל? או שהוא בכל-זאת חלקיק? ואולי הוא שניהם בו-זמנית?

אותה תופעה פיזיקאלית מדוברת היא האפקט הפוטואלקטרי.

האפקט הפוטואלקטרי התגלה לראשונה על ידי היינריך הרץ, בשנת 1887. הרץ נהג לערוך ניסויים של שידור וקליטה של גלים אלקטרומגנטיים בטווח קצר מאוד. בניסויים אלו מופיע ניצוץ חשמלי במשדר שגורם לגלים אלקטרומגנטיים להתפשט באוויר, להגיע למקלט וליצור בו ניצוץ חשמלי באופן אלחוטי. במהלך ניסויים אלו גילה הרץ שכאשר המקלט מואר באור רגיל או אולטרא-סגול הקליטה בו של האות החשמלי שבאוויר היא קלה יותר.

הסברה שהתפתחה בשנים שלאחר-מכן הייתה שנפילת האור על החומר המוליך חשמלית עוזרת לאלקטרונים החופשיים שבו להשתחרר מהאטומים וליצור את הזרם החשמלי (הניצוץ החשמלי) המתקבל במקלט. בסברה זו אין שום הפתעה, הרי ידוע שהגלים האלקטרומגנטיים ובהם גם האור הנראה נושאים איתם אנרגיה. לכן, נשמע זה הגיוני שהאור נושא האנרגיה יכול להעביר אותה, כשהוא פוגע במשטח המוליך חשמלית, לאלקטרונים הנמצאים בו.

אולם, ככל שהחלו לחקור את התופעה החדשה הופיעו תוצאות לא הגיוניות שהתיאוריה הקיימת לגבי המודל הגלי של האור לא יכולה הייתה להסביר. ראשון לחקור את התופעה הפוטואלקטרית באופן יסודי היה עוזרו של הרץ, פיליפ לנארד. הלה הכניס סוג מסוים של מתכת טהורה לתוך תא זכוכית מרוקן מאוויר (כדי למנוע חמצון של המתכת הטהורה). המתכת הנבדקת שבתוך התא חוברה למוליך חשמלי היוצא מהתא. מוליך חשמלי אחר נכנס לתא וחובר בתוכו למשטח קליטה הנמצא בתוך התא. משטח הקליטה אמור לקלוט את האלקטרונים שישתחררו מהמתכת הטהורה הנבדקת כאשר פוגע בה אור המעניק להם אנרגיה עודפת.

תא פוטו

הניסוי התבצע באופן הבא. מקור אור המאיר על המתכת הטהורה מעביר את האנרגיה שבו לאלקטרונים החופשיים שבה. רמת האנרגיה הקינטית באלקטרונים שהאור פגע בהם עלתה באופן משמעותי והם משתחררים מהמתכת ומגיעים למוליך שממולה. מעבר האלקטרונים גורם לזרימת זרם חשמלי במעגל.

מקור המתח המחובר למעגל במקביל נועד כדי לחסום תנועה זו. מקור המתח מספק פוטנציאל חשמלי שלילי להדק תא הפוטו אליו מגיעים האלקטרונים שספגו אנרגיה מהאור, כך שלמעשה הוא "מפריע" ליציאתם דרכו. ככל שנגביר את המתח החשמלי של מקור המתח במעגל, כך תגבר ההתנגדות מצידו לתנועת האלקטרונים מתוך תא הפוטו החוצה. עבור רמת מתח סף מסוימת תיעצר לחלוטין זרימת האלקטרונים מתוך תא הפוטו. רמת מתח זו נקראת מתח עצירה והיא מהווה מדד מצוין לכמות האנרגיה הקינטית שהאלקטרונים קיבלו מהאור.

בניסוייו האיר לנארד את תא הפוטו בעוצמת אור משתנה.

בהנחה שהאנרגיה של האור תלויה באופן ישיר בעוצמת ההארה נוכל לצפות מהניסוי לאישוש קיומם של שתי התופעות הבאות:

1. ככל שנגדיל את עוצמת ההארה כך נצפה שהאלקטרונים יקבלו יותר אנרגיה מהאור. אנרגיה זו מתורגמת לאנרגיה קינטית באלקטרון, לכן נצפה לראותם משתחררים מהמתכת במהירות גדולה יותר.
2. בעוצמת הארה חלשה מאוד נצפה שייקח זמן ממושך עד שכמות האנרגיה שהועברה מהאור לאלקטרונים היא מספקת כדי שהללו ישתחררו מהמתכת.

בהתחשב בציפיות ההגיוניות הללו היו העובדות במציאות לגמרי מפתיעות. ממדידות מתח הסף הנדרש שהוא ביצע, תוך שינוי של עוצמת האור, גילה לנארד את העובדות הבאות:

1. כשרמת מקור המתח היא גבוהה ממתח העצירה כל הגדלה בעוצמת ההארה לא תצליח לגרום לזרם חשמלי במעגל.
2. כשרמת מקור המתח היא נמוכה ממתח העצירה כל הגדלה בעוצמת ההארה תתבטא בהגדלת הזרם החשמלי במעגל.
3. כשרמת מקור המתח היא נמוכה ממתח העצירה ועוצמת האור היא חלשה הופיע זרם חשמלי (בעוצמה חלשה) באופן מיידי וללא כל השהייה.

מהעובדה הראשונה ניתן להסיק בוודאות שהגדלה של עוצמת ההארה לא מצליחה להגדיל את האנרגיה הקינטית שהאלקטרונים מקבלים מהאור הפוגע בהם.

מהעובדה השנייה ניתן להסיק שהגדלה של עוצמת ההארה מגדילה את הסיכוי של האור לפגוע באלקטרונים, כך שיותר אלקטרונים משתחררים מהמתכת ולכן הזרם החשמלי גדל.

מהעבודה השלישית ניתן להסיק שהקטנה של עוצמת ההארה מקטינה את הסיכוי של האור לפגוע באלקטרונים, כך שפחות אלקטרונים משתחררים מהמתכת ולכן מתקבל זרם חלש. מסיבה זו גם בהארה חלשה עדיין מופיע הזרם החשמלי באופן מיידי ואין צורך להמתין עד שמספיק אנרגיה תועבר לאלקטרונים ותצטבר בהם.

קיבלנו אם כן שתי תוצאות הסותרות לגמרי את ההנחה ההגיונית שכמות האנרגיה שהאור מעביר לאלקטרונים תלויה בעוצמת האור!

פיזיקאים אחרים המשיכו לחקור תופעה זו, ביניהם גם רוברט מיליקן – לימים מגלה המטען החשמלי של האלקטרון. מיליקן בדק את השפעת תדר האור על תא הפוטו. מניסוייו של מיליקן התגלתה העובדה הרביעית והמעניינת הבאה:

4. כשרמת מקור המתח היא נמוכה מעט ממתח העצירה נוכל להנמיך את תדר האור מעבר לסף מסוים שבו תתקבל עצירה של הזרם החשמלי. העלאה של עוצמת האור לא תעזור לחידוש הזרם החשמלי.

מהעובדה הרביעית ניתן להסיק שלתדר האור יש קשר לכמות האנרגיה הקינטית שהוא יכול לספק לאלקטרון. ככל שהתדר של האור גבוה יותר, כך הוא יכול לספק יותר אנרגיה קינטית לכל אלקטרון. שוב, עוצמת ההארה אינה משפיעה על האנרגיה הקינטית שכל אלקטרון מקבל מהאור, אלא רק על כמות האלקטרונים שמושפעים מהאור.

ניתן היה לצפות שככל שעוצמת האור חזקה יותר כך יותר אנרגיה תועבר לאלקטרונים ונקבל קריאת זרם גבוהה יותר. עוד ניתן היה לצפות שלתדר של האור לא תהיה כל השפעה על קריאת הזרם.

בניסויים התגלה שהגדלה של עוצמת ההארה לא מגדילה את חלק האנרגיה שכל אלקטרון מקבל ממנה, אלא מגדילה את מספר האלקטרונים שמקבלים את אותו חלק אנרגיה.
עוד התגלה בניסויים שלתדר של האור כן יש השפעה על קריאת הזרם ושיש סף תדר שקובע מתי תהיה זרימה חשמלית ומתי לא תהיה.

הסבר מלא לתוצאות הניסויים ופתרון חידת האפקט הפוטואלקטרי נמצא בפרק הבא.

[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 ]