האפקט הפוטואלקטרי

תוצאות הניסויים של האפקט הפוטואלקטרי עומדות בסתירה לתחזיות האלקטרומגנטיות הקלאסית. על פי התאוריה הקלאסית, האור מתואר כגל רציף המעביר אנרגיה לאלקטרונים באופן הדרגתי. לפיכך, צפוי היה ששינוי בעוצמת האור (כמות האנרגיה ליחידת שטח ליחידת זמן) ישנה את האנרגיה קינטית של האלקטרונים הנפלטים, ושאור בעוצמה נמוכה מספיק יגרום לעיכוב בפליטה, עד שהאלקטרונים יצברו די אנרגיה.

בפועל, תוצאות הניסויים מראות תמונה שונה: אלקטרונים נפלטים רק כאשר תדירות האור (הקובעת את צבע האור) עוברת סף מסוים, ללא תלות בעוצמת האור או במשך החשיפה. לדוגמה, אלומת אור אדום (תדירות נמוכה) בעוצמה גבוהה אינה גורמת לפליטת פוטואלקטרונים, גם אם מאירים על החומר זמן רב. עובדה זו סותרת את התיאור הגלי, שבו האנרגיה אמורה להצטבר לאורך זמן. כדי להסביר זאת, הציע אלברט איינשטיין שאור אינו גל רציף, אלא מורכב מחבילות אנרגיה בדידות, שכונו מאוחר יותר פוטונים (על ידי גילברט לואיס). כל פוטון נושא מנת אנרגיה (קוונטה) התלויה בתדירות האור. פליטת אלקטרון מתרחשת רק אם פוטון בודד פוגע באלקטרון ומעביר לו מספיק אנרגיה כדי להשתחרר מהחומר.

פליטת אלקטרוני הולכה ממתכות טיפוסיות דורשת פוטונים בעלי אנרגיה של כמה אלקטרון-וולט (eV) – יחידת מידה לאנרגיה המתאימה לאור נראה בעל אורך גל קצר או לאור אולטרה-סגול. במקרים קיצוניים, ניתן לגרום לפליטה גם באמצעות פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר (במערכות עם אפיניות אלקטרונית שלילית) או באמצעות פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד (מאות קילו-אלקטרון-וולט), הגורמים לפליטת אלקטרונים מרמות האנרגיה הפנימיות ביסודות בעלי מספר אטומי גבוה. חקר האפקט הפוטואלקטרי הוביל לצעדים חשובים בהבנת הטבע הקוונטי של אור ואלקטרונים, והשפיע על גיבוש רעיון הדואליות גל-חלקיק. תופעות נוספות שבהן אור משפיע על תנועת מטענים חשמליים כוללות את אפקט הפוטו-מוליכות, האפקט הפוטו-וולטאי והאפקט הפוטואלקטרוכימי.
 מנגנון הפליטה 
לפוטונים המרכיבים אלומת אור יש אנרגיה אופיינית, המכונה אנרגיית פוטון, והיא פרופורציונלית לתדירות האור. בתהליך הפליטה הפוטואלקטרית, כאשר אלקטרון בחומר בולע אנרגיה מפוטון, ומקבל אנרגיה הגבוהה מאנרגיית הקשר שלו – כלומר, האנרגיה המינימלית הדרושה כדי לשחרר את האלקטרון מהכוחות האטומיים הקושרים אותו לחומר – הוא עשוי להיפלט החוצה. אם אנרגיית הפוטון נמוכה מדי, האלקטרון לא יוכל להשתחרר.

הגברת עוצמת האור בתדירות נמוכה רק תגדיל את מספר הפוטונים הפוגעים בחומר, אך לא תשנה את האנרגיה של כל פוטון בודד. לכן, הגברת העוצמה לא תגרום לפליטה אם האנרגיה של כל פוטון אינה מספיקה. יתר על כן, האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הנפלטים אינה תלויה בעוצמת האור הפוגע (בתדירות נתונה), אלא אך ורק באנרגיה של הפוטונים הבודדים.

בניגוד לאלקטרונים חופשיים, שיכולים לקיים אינטראקציה עם פוטונים ולשנות את האנרגיה שלהם באופן רציף (כפי שקורה, למשל, בתופעת פיזור קומפטון, שבה פוטון מתנגש באלקטרון חופשי ומעביר לו חלק מהאנרגיה), אלקטרונים הקשורים לאטומים בתוך חומר מתנהגים לפי כללי מכניקת הקוונטים. משמעות הדבר היא שהם יכולים לבלוע אנרגיה רק ב"מנות" בדידות (קוונטות). בתהליך הפוטואלקטרי, האלקטרון בולע את כל האנרגיה של פוטון בודד, או לא בולע כלל. חלק מאנרגיה זו משמש להתגבר על אנרגיית הקשר (זוהי פונקציית העבודה של החומר), והיתר הופך לאנרגיה הקינטית של האלקטרון כחלקיק חופשי.

אלקטרונים בחומר אינם זהים באנרגיית הקשר שלהם. הם מאכלסים רמות אנרגיה קוונטיות שונות – מעין "מסלולים" או מצבים מותרים סביב גרעיני האטומים, שלכל אחד מהם אנרגיית קשר אופיינית. בנוסף, אלקטרונים עשויים לאבד אנרגיה בדרכם החוצה מהחומר. כתוצאה מכך, הפוטואלקטרונים הנפלטים אינם בעלי אנרגיה קינטית אחידה, אלא מתפלגים על פני טווח של אנרגיות. האלקטרונים הנפלטים מהרמות הקוונטיות הגבוהות ביותר (הקשורות באופן החלש ביותר לחומר) יהיו בעלי האנרגיה הקינטית המרבית. במתכות, רמת האנרגיה המאוכלסת הגבוהה ביותר בטמפרטורת האפס המוחלט נקראת רמת פרמי, ולכן האלקטרונים בעלי האנרגיה הקינטית המרבית יהיו אלה שנפלטו מרמה זו.

כאשר הפוטואלקטרון נפלט לתוך המוצק עצמו (ולא אל מחוץ לחומר), התהליך מכונה לעיתים פליטה פוטואלקטרית פנימית, בניגוד לפליטה אל מחוץ לחומר, המכונה פליטה פוטואלקטרית חיצונית.

 תצפיות ניסיוניות של הפליטה הפוטואלקטרית 
אף שפליטה פוטואלקטרית יכולה להתרחש מכל חומר, היא נצפית בנקל בעיקר ממתכות ומוליכים אחרים. הסיבה לכך נעוצה בחוסר איזון המטען הנוצר בתהליך: פליטת אלקטרונים מותירה את החומר טעון חיובית. במוליכים, המטען העודף מתפזר במהירות ומאפשר לפליטה להימשך. לעומת זאת, בחומרים מבודדים, הצטברות המטען החיובי יוצרת מחסום פוטנציאל המקשה על פליטת אלקטרונים נוספים, עד שהתהליך נעצר לחלוטין. גורם נוסף המקשה על הפליטה הוא נוכחותן של שכבות תחמוצת שאינן מוליכות על פני השטח של מתכות. לפיכך, רוב הניסויים וההתקנים המעשיים המבוססים על האפקט הפוטואלקטרי משתמשים במשטחי מתכת נקיים בתוך שפופרת ריק (ואקום), המסייע גם במניעת הפרעות לתנועת האלקטרונים הנפלטים.

מכיוון שאור שמש אינו מקור עקבי לקרינה אולטרה-סגולה הנדרשת לעיתים קרובות בניסויים, מקובל להשתמש במקורות אור מלאכותיים במעבדה. נורות קשת קסנון בשימוש רב לצורך כך, בזכות עוצמתן הגבוהה וספקטרום הפליטה הרחב שלהן, הכולל תחום UV משמעותי. נורות פלואורסצנטיות מספקות אור אחיד יותר, אך בעוצמה נמוכה יותר. מקורות מתקדמים יותר כוללים לייזרים אולטרה-סגולים, המספקים אור מונוכרומטי בעוצמה גבוהה, וקרינת סינכרוטרון – קרינה עזה הניתנת לכוונון מדויק של אורך הגל, הנפלטת מחלקיקים טעונים הנעים במהירות גבוהה במסלול מעגלי.

ממוזער|תרשים סכמטי של הניסוי להדגמת האפקט הפוטואלקטרי. אור מסונן ומונוכרומטי (בעל אורך גל יחיד) פוגע באלקטרודה הפולטת (E) בתוך שפופרת ריק. האלקטרודה הקולטת (C) מחוברת למקור מתח VC הניתן לכוונון, באופן המאפשר למשוך אליה את האלקטרונים הנפלטים (כאשר המתח חיובי), או למנוע את הגעתם אליה (כאשר המתח שלילי).|alt= המערך הניסויי הקלאסי לצפייה באפקט הפוטואלקטרי כולל מקור אור, פילטרים ליצירת אור מונוכרומטי, שפופרת ריק, אלקטרודה פולטת (E) החשופה לאור, ואלקטרודה קולטת (C) שהמתח שלה, VC, ניתן לשליטה חיצונית.
כאשר מופעל מתח חיצוני חיובי, הוא מושך את הפוטואלקטרונים הנפלטים אל הקולט. אם התדירות ועוצמת הקרינה הפוגעת קבועות, הזרם הפוטואלקטרי גדל ככל שהמתח החיובי עולה, עד שהוא מגיע לערך רוויה, שבו כל הפוטואלקטרונים הנפלטים נאספים. זרם הרוויה יגדל רק אם תוגבר עוצמת האור הפוגע.

הפעלת מתח שלילי הולך וגובר דוחה את האלקטרונים, ורק אלה בעלי האנרגיה הקינטית הגבוהה ביותר מצליחים להגיע לקולט. כאשר הזרם בשפופרת פוסק לחלוטין, המתח השלילי הגיע לערך הקרוי מתח עצירה, Vo. ערך זה מאפשר לחשב את האנרגיה הקינטית המרבית של הפוטואלקטרונים, Kmax, באמצעות הקשר .

עבור כל משטח מתכתי, קיימת תדירות סף מינימלית של קרינה פוגעת, שמתחתיה לא נפלטים פוטואלקטרונים כלל. הגברת תדירות האור (מעל תדירות הסף) מגדילה את האנרגיה הקינטית המרבית של הפוטואלקטרונים הנפלטים, ולכן נדרש מתח עצירה גבוה יותר. גם מספר האלקטרונים הנפלטים עשוי להשתנות, שכן ההסתברות שפוטון בודד יגרום לפליטת אלקטרון תלויה באנרגיית הפוטון. אף שהסתברות זו עשויה להשתנות, הגודל הדומיננטי הקובע את סך האלקטרונים הנפלטים ביחידת זמן (ולכן את זרם הרוויה) הוא עדיין מספר הפוטונים הפוגעים במשטח, כלומר, עוצמת האור.

לעומת זאת, הגברת עוצמת האור המונוכרומטי מגדילה את מספר הפוטונים הפוגעים במשטח ביחידת זמן. כתוצאה מכך, קצב פליטת האלקטרונים – הזרם הפוטואלקטרי I – גדל באופן פרופורציונלי ישר לעוצמת האור, אך האנרגיה הקינטית של הפוטואלקטרונים ומתח העצירה נותרים ללא שינוי. סייג חשוב הוא שהנחה זו נכונה כל עוד העוצמה אינה גבוהה מדי; בעוצמות אור קיצוניות (כמו בלייזרים חזקים), עשויים להתרחש תהליכים מורכבים יותר של בליעת מספר פוטונים על ידי אלקטרון בודד.

מדידות הראו כי פער הזמן בין פגיעת הקרינה לפליטת הפוטואלקטרון הוא זעיר ביותר (פחות מננו-שנייה). עובדה זו מחזקת את התיאור החלקיקי של האור, שכן על פי המודל הגלי הקלאסי, צפוי היה עיכוב משמעותי, במיוחד בעוצמות אור נמוכות, עד שהאלקטרון יצבור מספיק אנרגיה מהגל הרציף כדי להשתחרר. חוסר העיכוב מצביע על כך שהאנרגיה מגיעה ב"חבילות" מרוכזות (פוטונים) המעבירות את האנרגיה באופן מיידי.

התפלגות הזוויתית של הפוטואלקטרונים הנפלטים מספקת מידע רב על מבנה החומר. היא תלויה מאוד בקיטוב האור הפוגע – כיוון התנודה של השדה החשמלי של גל האור. בנוסף, היא מושפעת מהתכונות הקוונטיות של החומר הפולט, כמו הסימטריה המרחבית של אורביטלים (האזורים שבהם סביר למצוא את האלקטרונים סביב האטומים) והמבנה פסי האנרגיה – טווחי האנרגיה המותרים לאלקטרונים בתוך מוצק גבישי. הטכניקה הניסויית המודדת התפלגויות אלו היא ספקטרוסקופיית פליטה פוטואלקטרית זוויתית (ARPES).

 הסבר תאורטי 
ממוזער|דיאגרמה של האנרגיה הקינטית המרבית כתלות בתדירות האור הפוגע באבץ|alt= בשנת 1905, הציע אלברט איינשטיין תאוריה לאפקט הפוטואלקטרי, שהתבססה על הרעיון המהפכני שאור אינו גל רציף, אלא מורכב מחלקיקים בדידים של אנרגיה, המוכרים כיום כפוטונים. כל פוטון נושא מנת אנרגיה () הפרופורציונלית לתדירות () של הגל האלקטרומגנטי המתאים לו, על פי הנוסחה , כאשר  הוא קבוע פלאנק.
כאשר פוטון פוגע באלקטרון בחומר ומעביר לו את האנרגיה שלו, האלקטרון עשוי להיפלט. מתוך כלל האלקטרונים הנפלטים (הבאים מרמות קשר שונות), האנרגיה הקינטית המרבית () תהיה של האלקטרונים שהיו קשורים באופן החלש ביותר. אנרגיה זו ניתנת על ידי המשוואה:  כאן,  היא פונקציית העבודה של החומר – האנרגיה המינימלית הנדרשת כדי לשחרר אלקטרון מפני השטח שלו (לעיתים מסומנת  או ).

ניתן לבטא את פונקציית העבודה באמצעות תדירות מינימלית, תדירות הסף (), הדרושה כדי לשחרר אלקטרון: . הצבת ביטוי זה במשוואה הקודמת נותנת: מכיוון שאנרגיה קינטית חייבת להיות חיובית, התנאי להתרחשות האפקט הפוטואלקטרי הוא שתדירות האור הפוגע תהיה גבוהה מתדירות הסף (). מעל תדירות הסף, האנרגיה הקינטית המרבית של הפוטואלקטרונים, וכן מתח העצירה בניסוי (), עולים באופן ליניארי עם התדירות, ואינם תלויים בעוצמת האור. נוסחתו הפשוטה של איינשטיין הצליחה להסביר את כל מאפייני האפקט הפוטואלקטרי, והיו לה השלכות מרחיקות לכת על התפתחות מכניקת הקוונטים.

 פליטה פוטואלקטרית מאטומים, מולקולות ומוצקים 
אלקטרונים הקשורים באטומים, מולקולות ומוצקים מאכלסים מצבים קוונטיים מוגדרים, שלכל אחד מהם אנרגיית קשר אופיינית. כאשר פוטון מעביר לאלקטרון אנרגיה הגבוהה מאנרגיית הקשר שלו, האלקטרון עשוי להיפלט לחלל החופשי עם אנרגיה קינטית עודפת. התפלגות האנרגיות הקינטיות של הפוטואלקטרונים משקפת אפוא את התפלגות אנרגיות הקשר של האלקטרונים במערכת הקוונטית. לדוגמה, אלקטרון שנפלט ממצב בעל אנרגיית קשר  יימצא עם אנרגיה קינטית . מדידת התפלגות זו היא כלי מרכזי בחקר מבנה החומר בכימיה ובפיזיקה קוונטית.
 מודלים של פליטה פוטואלקטרית ממוצקים 
התכונות האלקטרוניות של מוצקים גבישיים מסודרים נקבעות על ידי האופן שבו האלקטרונים בחומר מתפלגים לפי האנרגיה והתנע שלהם. התפלגות זו, המכונה מבנה פסי האנרגיה, מתארת את רמות האנרגיה המותרות לאלקטרונים בגביש ואת הקשר בינן לבין התנע של האלקטרונים. מודלים תאורטיים מראים שמבנה זה נשמר במידה רבה באפקט הפוטואלקטרי, ולכן מדידת האנרגיה והתנע של האלקטרונים הנפלטים מאפשרת "לצלם" את מבנה פסי האנרגיה של החומר. מודל שלושת השלבים הפנומנולוגי מפרק את התהליך לשלבים הבאים:

 בליעת הפוטון ועירור האלקטרון: פוטון הפוגע בחומר נבלע על ידי אלקטרון הנמצא בתוך החומר ("בנפח"). אנרגיית הפוטון גורמת לאלקטרון "לקפוץ" מרמת אנרגיה מאוכלסת לרמת אנרגיה גבוהה יותר ופנויה. מעבר זה כפוף לכללי ברירה קוונטיים, הקובעים אילו "קפיצות" מותרות מבחינה פיזיקלית. כאשר האלקטרון עוזב את רמתו, הוא מותיר אחריו "חור" (מקום פנוי). חור זה יכול לגרום לתופעות משניות, כמו אפקט אוז'ה, שבו אלקטרון מרמה גבוהה יותר "נופל" למלא את החור, והאנרגיה המשתחררת גורמת לפליטת אלקטרון אחר.
 תנועת האלקטרון לפני השטח: האלקטרון שעורר בשלב הראשון צריך לנוע דרך החומר עד לפני השטח כדי להיפלט. בדרכו, הוא עשוי להתנגש באטומים או באלקטרונים אחרים ולעבור פיזור. כתוצאה מההתנגשויות, הוא מאבד אנרגיה וכיוון תנועתו משתנה. ככל שהאלקטרון נוצר עמוק יותר בתוך החומר, כך גדל הסיכוי שיעבור פיזורים רבים ויאבד אנרגיה משמעותית לפני שיגיע לפני השטח. המהלך חופשי ממוצע (המרחק הממוצע בין התנגשויות) תלוי באנרגיית האלקטרון ובסוג החומר.
 פליטת האלקטרון מהמשטח: כדי להיפלט לחלל הריק, האלקטרון צריך להתגבר על מחסום אנרגיה הקיים בפני השטח של החומר. אנרגיה מינימלית זו הנדרשת לבריחה היא פונקציית העבודה (W). בשלב זה, האלקטרון מאבד אנרגיה השווה ל-W. כמו כן, מכיוון שכוח המשיכה פועל רק בניצב לפני השטח, האלקטרון מאבד את רכיב התנע שהיה לו בכיוון זה. מכיוון שנהוג למדוד את אנרגיית הקשר של אלקטרונים במוצק (EB) ביחס לרמת פרמי, האנרגיה הקינטית של האלקטרון הנפלט לחלל הריק נתונה על ידי:

קיימים מקרים שבהם מודל שלושת השלבים אינו מסביר את כל פרטי התפלגות הפוטואלקטרונים. מודל השלב האחד המורכב יותר מתייחס לאפקט כתהליך קוונטי קוהרנטי יחיד, המתאר את המעבר מהמצב ההתחלתי של האלקטרון בתוך הגביש למצבו הסופי כאלקטרון חופשי מחוץ לגביש.

 היסטוריה 
 המאה ה-19 
alt=|ממוזער|282x282px|אלקטרוסקופ
עלי זהב המדגים את האפקט הפוטואלקטרי. כאשר הדיסק טעון שלילית, עלי הזהב דוחים זה את זה. הארת הדיסק באור בעל אנרגיה גבוהה (כמו אולטרה-סגול) גורמת לפליטת אלקטרונים, והעלים צונחים. בשנת 1839, גילה הפיזיקאי הצרפתי אלכסנדר אדמון בקרל כי אור יכול לייצר מתח חשמלי בתוך תא אלקטרוליטי – התקן המשתמש בנוזל מוליך (אלקטרוליט) כדי לגרום לתגובות כימיות. תופעה זו, המוכרת כיום כאפקט הפוטו-וולטאי, אינה זהה לאפקט הפוטואלקטרי, אך עבודתו של בקרל הייתה חיונית להבנת הקשר העמוק בין אור לתכונות אלקטרוניות של חומרים. ב-1873, המהנדס הבריטי ווילובי סמית' גילה כי התנגדותו החשמלית של היסוד סלניום יורדת באופן משמעותי כאשר הוא נחשף לאור, תופעה המכונה פוטו-מוליכות.
צמד הסטודנטים הגרמנים יוהאן אלסטר והנס גייטל חקרו את השפעות האור על גופים טעונים חשמלית ופיתחו את התאים הפוטואלקטריים המעשיים הראשונים, ששימשו למדידת עוצמת האור.Asimov, A. (1964) Asimov's Biographical Encyclopedia of Science and Technology, Doubleday, . הם סידרו מתכות שונות בהתאם ליכולתן לפרוק מטען שלילי תחת הקרנה, ומצאו שהסדר תואם את השורה הוולטאית (הידועה כיום כשורה האלקטרוכימית): מתכות אלקטרו-חיוביות יותר (כאלו הנוטות לאבד אלקטרונים בקלות, כמו אשלגן ונתרן) הראו את האפקט הפוטואלקטרי הגדול ביותר.

בשנת 1887, בעת שערך ניסויים לאימות קיומם של גלים אלקטרומגנטיים, נתקל הפיזיקאי הגרמני היינריך הרץ בתופעה באקראי.   המקלט במערך הניסוי שלו כלל מרווח ניצוץ – מרווח זעיר בין שתי אלקטרודות, שבו קפיצה של זרם חשמלי יוצרת ניצוץ גלוי. כדי לראות את הניצוץ טוב יותר, הוא הניח את המקלט בקופסה חשוכה, אך גילה כי הדבר מקטין את אורך הניצוץ המרבי. הוא גילה כי לוח זכוכית שהוצב בין המשדר למקלט חסם קרינה אולטרה סגולה שעזרה לאלקטרונים לקפוץ דרך המרווח. כאשר החליף את הזכוכית בקוורץ (השקוף לקרינה זו), הניצוץ חזר לאורכו המקורי. תצפית זו היא התיעוד הראשון של האפקט הפוטואלקטרי.

גילוי זה הוביל לסדרת מחקרים מעמיקים, ביניהם של הפיזיקאי וילהלם הלוואקס. הלוואקס טען לוח אבץ לאלקטרוסקופ – מכשיר מדידה לזיהוי מטען חשמלי. כאשר האיר על הלוח הטעון באור אולטרה-סגול, הוא הבחין כי המטען החשמלי "ברח" (נפלט) מהאבץ תחת השפעת האור.
החוקרים נתקלו בתופעה של "התעייפות פוטואלקטרית" – ירידה הדרגתית בעוצמת האפקט במשטחי מתכת טריים. הלוואקס ייחס זאת להשפעת אוזון, בעוד חוקרים אחרים ייחסו זאת לחמצון וללחות.

בשנים 1888–1891 ערך הפיזיקאי הרוסי אלכסנדר סטולטוב ניתוח כמותי מפורט של האפקט. הוא גילה יחס פרופורציונלי ישר בין עוצמת האור לזרם הפוטואלקטרי (הידוע כחוק סטולטוב). הוא גם מדד את תלות הזרם בלחץ הגז, ומצא לחץ אופטימלי שבו הזרם הוא מרבי.
ב-1897, הפיזיקאי הבריטי ג'יי ג'יי תומסון, מגלה האלקטרון, חקר את האפקט באמצעות שפופרות קרוקס (שפופרות ריק שבהן נצפו לראשונה קרניים קתודיות – זרם החלקיקים שזוהה מאוחר יותר כאלקטרונים). תומסון הסיק כי החלקיקים הנפלטים מהמתכת תחת השפעת האור זהים בטבעם לקרניים הקתודיות, כלומר, הם אלקטרונים. באותה תקופה, ההנחה השגויה הייתה שהשדות האלקטרומגנטיים של האור גורמים לאטומים "להדהד" עד שהם פולטים חלקיקים.

 המאה ה-20 
בשנת 1902, הפיזיקאי הגרמני פיליפ לנארד גילה תגלית מכרעת: האנרגיה של כל אלקטרון בודד שנפלט אינה תלויה בעוצמת האור. זו הייתה תצפית שסתרה חזיתית את תאוריית הגלים של האור של מקסוול, שחזתה כי האנרגיה תהיה פרופורציונלית לעוצמת הקרינה. לנארד השתמש במנורת קשת חשמלית חזקה, אך תוצאותיו היו איכותיות ולא כמותיות בשל קשיים ניסיוניים (הצורך להשתמש במתכת שזה עתה נחתכה, שהתחמצנה במהירות). הוא כן אישר כי הזרם (מספר האלקטרונים) פרופורציונלי לעוצמת האור.

פריצת הדרך הגיעה בעקבות עבודתו של הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק על קרינת גוף שחור, שבה הציע כי אנרגיה נפלטת ב"מנות" בדידות. ב-1905, אלברט איינשטיין פרסם את מאמרו המכונן "על נקודת מבט היוריסטית... אודות הייצור וההעברה של אור",Einstein, A. "On a Heuristic Viewpoint Concerning the Emission and Transformation of Light." Annalen der Physik 17 (1905) שבו יישם את הרעיון של פלאנק לאור עצמו. איינשטיין הציע כי האנרגיה באלומת אור אינה רציפה, אלא מחולקת ל"חבילות" קוונטיות בדידות. הוא קבע כי האנרגיה בכל חבילה כזו שווה לתדירות האור כפול קבוע פלאנק. פוטון בעל תדירות הגבוהה מתדירות הסף נושא מספיק אנרגיה כדי לפלוט אלקטרון בודד באופן מיידי. זהו ההסבר מדוע האנרגיה של האלקטרונים הנפלטים תלויה בתדירות האור, בעוד שמספרם תלוי בעוצמתו.

ב-1914, מדידותיו המדויקות של הפיזיקאי האמריקאי רוברט מיליקן איששו את התחזית הליניארית של איינשטיין, אף על פי שמיליקן עצמו תיאר בזמנו את הרעיון החלקיקי של האור כ"בלתי נתפס על הדעת". איינשטיין זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1921 על "גילוי החוק של האפקט הפוטואלקטרי", ומיליקן זכה בפרס נובל ב-1923, בין היתר על עבודתו בנושא זה.

האפקט הפוטואלקטרי היה צעד מכריע בביסוס רעיון דואליות גל-חלקיק בטבעו של האור. האור מפגין בו-זמנית תכונות של גל ושל חלקיק, בהתאם לנסיבות. היה בלתי אפשרי להבין את האפקט במונחים של תיאור הגל הקלאסי,Resnick, Robert (1972) Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, Wiley, p. 137, . שכן התיאוריה הקלאסית חזתה שהאלקטרונים "יאספו" אנרגיה לאורך זמן מהגל הרציף ורק אז ייפלטו.Resnick, Robert (1972) Basic Concepts in Relativity and Early Quantum Theory, Wiley, p. 138, . השם "פוטון" עצמו נטבע מאוחר יותר, ב-1926, על ידי הכימאי האמריקאי גילברט לואיס.

 המאה ה-21 
המחקר בשנים האחרונות התמקד במדידת זמן הפליטה של פוטואלקטרונים. במשך זמן רב, ההנחה הייתה שהתהליך הוא מיידי. אולם, פיתוח טכניקות לייזר מתקדמות, המאפשרות יצירת פולסים של אור בסקאלות זמן של אטו-שניות ( שניות, או מיליארדית של מיליארדית השנייה), פתח תחום חדש בחקר דינמיקת אלקטרונים – פיתוח שהוכר בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2023. מחקרים אלו גילו כי הפליטה אינה מיידית, אלא כרוכה בעיכוב זעיר (בסקאלה של עשרות אטו-שניות), והיא תהליך מורכב המערב אינטראקציות בין אלקטרונים רבים. בנוסף, מחקרים עדכניים הראו כי כיוון השדה החשמלי באור (הקיטוב) יכול להשפיע על הפליטה בתחומי תדרים ספציפיים, כמו טרה-הרץ.
 שימושים והשפעות 
 שבשבות פוטואלקטריות (Photomultipliers) 
ממוזער|תרשים סכמטי של שבשבת פוטואלקטרית|alt= אלו הן שפופרות ריק הרגישות ביותר לאור, המכילות פוטו-קתודה (אלקטרודה הפולטת אלקטרונים בתגובה לאור) מצופה בחומרים בעלי פונקציית עבודה נמוכה במיוחד (כמו שילובים של צסיום, רובידיום ואנטימון). בשל כך, הפוטו-קתודה משחררת אלקטרונים בקלות רבה, גם כאשר היא מוארת ברמות אור נמוכות ביותר. האלקטרונים הבודדים שנפלטים מואצים לאחר מכן באמצעות סדרה של אלקטרודות (דינוֹדות) בעלות מתח חשמלי הולך וגובר. בכל פגיעה בדינוֹדה, כל אלקטרון גורם לשחרור של מספר אלקטרונים נוספים (בתהליך של פליטה שניונית), מה שיוצר אפקט "מפולת" המגביר את האות בצורה משמעותית ומייצר זרם יציאה הניתן למדידה. שבשבות פוטואלקטריות נותרו בשימוש נפוץ כיום בכל מקום שבו נדרש גילוי של רמות אור נמוכות מאוד.Timothy, J. Gethyn (2010) in Huber, Martin C.E. (ed.) Observing Photons in Space, ISSI Scientific Report 009, ESA Communications, pp. 365–408, 
 חיישני תמונה 
מצלמות וידאו בימיה הראשונים של הטלוויזיה השתמשו באפקט הפוטואלקטרי. לדוגמה, "מנתח התמונה" (Image dissector) של הממציא האמריקאי פילו פארנסוורת', השתמש במסך שנטען על ידי האפקט הפוטואלקטרי כדי להמיר דמות אופטית לאות אלקטרוני נסרק.Burns, R. W. (1998) Television: An International History of the Formative Years, IET, p. 358, .
 ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים 
ממוזער|מערך ניסוי של ספקטרוסקופיית פליטה פוטואלקטרית זוויתית (ARPES). נורת פריקה של הליום מאירה באור אולטרה-סגול על הדגימה בתנאי ואקום גבוה במיוחד. אנלייזר אלקטרונים חצי כדורי מודד את התפלגות האלקטרונים הנפלטים לפי אנרגיה ותנע.|alt= מכיוון שהאנרגיה הקינטית של האלקטרונים הנפלטים שווה בדיוק לאנרגיית הפוטון הפוגע, פחות אנרגיית הקשר של האלקטרון לחומר, ניתן לקבוע את אנרגיית הקשר. הדבר נעשה על ידי הקרנת החומר באור מונוכרומטי (בעל אורך גל יחיד ואנרגיה ידועה) מתחום הרנטגן (X-ray) או האולטרה-סגול (UV), ומדידת האנרגיות הקינטיות של הפוטואלקטרונים הנפלטים. התפלגות אנרגיות זו מספקת מידע רב ערך על התכונות הקוונטיות של המערכת, וניתן להשתמש בה גם לקביעת ההרכב הכימי של הדגימה.
במוצקים, מדידת התפלגות האנרגיה והזווית של הפוטואלקטרונים מאפשרת קביעה מלאה של מבנה פסי האנרגיה של החומר – מיפוי של רמות האנרגיה המותרות לאלקטרונים כפונקציה של התנע שלהם. מכשירים מודרניים של ספקטרוסקופיית פליטה פוטואלקטרית זוויתית (ARPES) מסוגלים למדוד גדלים אלה בדיוק רב.

מדידות אלו מבוצעות בדרך כלל בסביבת ואקום אולטרה גבוה, מכיוון שהאלקטרונים יתפזרו על ידי מולקולות גז אם יהיו נוכחות. עם זאת, חברות מסוימות משווקות כיום מוצרים המאפשרים מדידות פוטואלקטריות באוויר. מקור האור בניסויים אלה יכול להיות לייזר, שפופרת פריקה, או קרינת סינכרוטרון. הכלי הנפוץ למדידת אנרגיית האלקטרונים הוא אנלייזר אלקטרונים חצי-כדורי, המשתמש בשדה חשמלי בין שתי כיפות מתכת כדי להפריד בין האלקטרונים בהתאם לאנרגיה הקינטית שלהם.
 התקני ראיית לילה 
פוטונים הפוגעים בשכבה דקה של מתכת אלקלית או מוליך למחצה (כמו גליום ארסניד) בתוך מגבר אור כוכבים גורמים לפליטת פוטואלקטרונים. אלקטרונים אלו מואצים על ידי שדה חשמלי ופוגעים במסך מצופה זרחן (פוספור), הממיר אותם בחזרה לפוטונים (אור נראה). הגברת האות מושגת באמצעות האצת האלקטרונים, או על ידי ריבוי מספר האלקטרונים באמצעות פליטה שניונית (למשל, בלוח מיקרו-ערוצי). לעיתים משתמשים בשילוב של שתי השיטות. בחומרים מסוימים, כמו גליום ארסניד, האנרגיה הדרושה לאלקטרון כדי להיפלט מהחומר לאחר שכבר עורר לפס ההולכה היא אפסית או שלילית (תכונה המכונה אפיניות אלקטרונית שלילית). תכונה זו מאפשרת בניית שכבות עבות יותר הבולעות אור ביעילות גבוהה.

 חלליות 
האפקט הפוטואלקטרי גורם לחלליות החשופות לאור שמש ישיר לפתח מטען חשמלי חיובי (עקב פליטת אלקטרונים). הדבר עלול להוות בעיה משמעותית, שכן חלקים אחרים של החללית, הנמצאים בצל, עשויים לפתח מטען שלילי כתוצאה מפגיעת פלזמה סביבתית. חוסר האיזון במטענים עלול לגרום לפריקה חשמלית דרך רכיבים אלקטרוניים עדינים. טעינה זו מגבילה את עצמה, מכיוון שככל שהחללית נטענת חיובית, כך קשה יותר לאלקטרונים לברוח מפני השטח שלה.
 אבק ירח 
אור השמש הפוגע באבק על פני הירח גורם לו להיטען חיובית עקב האפקט הפוטואלקטרי. האבק הטעון דוחה את עצמו ומרחף מעל פני הירח בתהליך של ריחוף אלקטרוסטטי.Bell, Trudy E., "Moon fountains", NASA.gov, 2005-03-30.Dust gets a charge in a vacuum. spacedaily.com, July 14, 2000. תופעה זו נראית כמעין "אטמוספירה של אבק", המטשטשת עצמים רחוקים ויוצרת זוהר קלוש לאחר שקיעת השמש. היא צולמה לראשונה על ידי גשושיות תוכנית סורבייר בשנות ה-60.
 תהליכים מתחרים וחתך הפעולה 
ממוזער|תרשים המציג את אנרגיית הפוטון שבה תהליך אינטראקציה אחד הופך לדומיננטי על פני אחר, כפונקציה של המספר האטומי (Z). לדוגמה, בסידן (Z=20), פיזור קומפטון הופך לדומיננטי באנרגיה של 0.08 MeV, ומפסיק להיות התהליך הדומיננטי באנרגיה של 12 MeV.

האפקט הפוטואלקטרי אינו התהליך היחיד שבו פוטון מקיים אינטראקציה עם חומר. כאשר אנרגיית הפוטון עולה, תהליכים אחרים מתחילים להתחרות בו. כשהאנרגיה מגיעה ל-511 קילו-אלקטרון-וולט (keV) – שהיא אנרגיית המנוחה של האלקטרון (האנרגיה המקבילה למסת האלקטרון, לפי E=mc²) – תהליך נוסף בשם פיזור קומפטון הופך לאפשרי. בתהליך זה, הפוטון אינו נבלע במלואו, אלא מתנגש באלקטרון ומעביר לו רק חלק מהאנרגיה שלו. באנרגיות גבוהות כפליים (1.022 MeV), תהליך נוסף בשם יצירת זוגות הופך לאפשרי, שבו אנרגיית הפוטון הופכת לזוג חלקיקים: אלקטרון והאנטי-חלקיק שלו, פוזיטרון. שני תהליכים אלו הם דוגמאות למנגנונים המתחרים באפקט הפוטואלקטרי.

גם אם האפקט הפוטואלקטרי הוא התגובה המועדפת לאינטראקציה מסוימת, התוצאה כפופה לסטטיסטיקה קוונטית ואינה מובטחת. ההסתברות להתרחשות האפקט הפוטואלקטרי נמדדת באמצעות חתך הפעולה (). זהו מונח בפיזיקה המתאר את השטח האפקטיבי שהאטום "מציג" לפוטון הפוגע עבור תגובה מסוימת; ככל שחתך הפעולה גדול יותר, כך גדלה ההסתברות שהתגובה תתרחש. נמצא כי חתך הפעולה תלוי במספר האטומי של אטום המטרה ובאנרגיית הפוטון. בקירוב גס, עבור פוטונים בעלי אנרגיה הגבוהה מאנרגיית הקשר האטומית הגבוהה ביותר, חתך הפעולה נתון על ידי:

כאשר Z הוא המספר האטומי (מספר הפרוטונים בגרעין האטום) ו-n הוא מספר שערכו נע בין 4 ל-5.

נוסחה זו מדגישה שתי מגמות חשובות:

 תלות באנרגיה: חשיבותו של האפקט הפוטואלקטרי פוחתת במהירות ככל שאנרגיית הפוטון () עולה (בשל החזקה השלישית במכנה), במיוחד בתחום קרינת הגמא (פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מאוד).
 תלות בחומר: האפקט סביר הרבה יותר ביסודות בעלי מספר אטומי גבוה (Z), בשל החזקה הגבוהה במונה.

כתוצאה משתי מגמות אלו, חומרים בעלי Z גבוה (כמו עופרת, Z = 82) יעילים מאוד בבלימת קרינת גמא באנרגיות נמוכות יחסית, ולכן הם החומר המועדף והנפוץ ביותר למיגון מפני קרינה.
 ראו גם 
האפקט הפוטו-וולטאי
תא פוטו-וולטאי

קישורים חיצוניים


 יישום ג'אווה המדגים את האפקט הפוטואלקטרי.
 עוד יישום ג'אווה המדגים את אותו האפקט.


הערות שוליים

אפקט פוטואלקטרי
אפקט פוטואלקטרי
אפקט פוטואלקטרי
קטגוריה:פוטוכימיה
קטגוריה:אלקטרוכימיה