تعریف فوتوالکتریک

فوتوالکتریک چیست؟
می دانیم که کلمه «Photo» به معنی نور است. پس به طور ساده، فوتوالکتریسیته را می توانیم تولید برق (جریان الکتریکی) به وسیله نور معنی کنیم.

الکترونیک21

پدیده فوتوالکتریک امروزه به واسطه پنل های خورشیدی (Solar Cells) برای همگان آشنا است. اثر فوتوالکتریک اولین بار در سال 1887 توسط دانشمند آلمانی مشهور، «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) کشف شد.

اما تا سال های زیادی چرایی و سازوکار این اثر ناشناخته باقی ماند تا در سال 1905 میلادی توسط «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) به طور کامل تشریح شد.

البته در نظر داشته باشید که منظورمان از نور تنها طیف مرئی نیست.

فوتوسل یا سلول فوتوالکتریک بسته به ماده ای که از آن ساخته می شود، توانایی کار در تمامی فرکانس های اپتیکی را می تواند داشته باشد. فرکانس های اپتیکی در شکل زیر نشان داده شده است.

طیف مرئی فرکانس های اپتیکی

شکل (2): ناحیه اپتیکی شامل مادون قرمز (IR)، مرئی (Visible) و فرابنفش (UV) می شود.

آلبرت اینشتین با در نظر گفتن جنبه ذره ای نور، یعنی فوتون ها اثر فوتوالکتریک را به خوبی تشریح کرد.

می دانیم که انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی برابر باE=hf است که در آنfفرکانس موج وh
ثابت پلانک با مقدار h=6.62607015×10−34J.s است.

با برخورد فوتونی با انرژی hf به یک سطح، قسمتی از این انرژی صرف آزاد کردن الکترون ها از قید هسته شده و انرژی باقی مانده نیز صرف انرژی جبنشی الکترون جهت حرکت آن ها می شود.

الکترون های آزاد شده به این روش به فوتوالکترون ها موسوم هستند. این مطلب را اینشتین به به صورت زیر فرمول بندی کرد:

در رابطه فوق، hf0=ϕ تابع کار ماده بوده و بیانگر حداقل انرژی لازم جهت آزادسازی الکترون ها است. دلیل رخ ندادن اثر فوتوالکتریک برای تمامی طول موج ها در رابطه فوق کاملاً مشخص است.

همان طور که ملاحظه می کنید، تابع کار ماده وابسته به فرکانس موج تابشی است. به طور مثال اگر برای آزاد کردن الکترون از سطحی خاص، نوری با فرکانس آبی لازم باشد، نمی توان با نور قرمز که فرکانسی پایین تر (انرژی کمتر) دارد، این کار را انجام داد.

حتی اگر شدت نور قرمز را بسیار زیاد کنیم، این امر حاصل نمی شود. چرا که انرژی لازم جهت کندن الکترون در فرکانس های آبی به بالا، فراهم می شود.

اثر فوتوالکتریک