אפקט פוטואלקטרי לעומת אפקט פוטו-וולטאי
הדרכים שבהן האלקטרונים נפלטים באפקט הפוטואלקטרי ובאפקט הפוטו-וולטאי יוצרים את ההבדל ביניהם. הקידומת 'צילום' בשני המונחים הללו מרמזת ששני התהליכים הללו מתרחשים עקב אינטראקציה של אור. למעשה, הם כרוכים בפליטת אלקטרונים על ידי קליטת אנרגיה מהאור. עם זאת, הם שונים בהגדרה שכן שלבי ההתקדמות שונים בכל מקרה. ההבדל העיקרי בין שני התהליכים הוא שבאפקט הפוטואלקטרי האלקטרונים נפלטים לחלל בעוד שבאפקט פוטו-וולטאי האלקטרונים הנפלטים נכנסים ישירות לחומר חדש.בוא נדון בזה בפירוט כאן.
מהו אפקט פוטו-אלקטרי?
אלברט איינשטיין היה זה שהציע רעיון זה ב-1905 באמצעות נתונים ניסיוניים. הוא גם הסביר את התיאוריה שלו על אופי החלקיקים של האור על ידי אישור קיומה של דואליות גל-חלקיק לכל צורות החומר והקרינה. בניסוי שלו באפקט פוטו-אלקטרי, הוא מסביר שכאשר אור נמנע על מתכת למשך תקופה, האלקטרונים החופשיים באטומי המתכת יכולים לספוג אנרגיה מהאור ולצאת מהמשטח ופולטים את עצמם לחלל. כדי שזה יקרה, האור צריך לשאת רמת אנרגיה גבוהה מערך סף מסוים. ערך סף זה נקרא גם 'פונקציית העבודה' של המתכת המתאימה. וזו האנרגיה המינימלית הדרושה כדי להסיר את האלקטרון מהקליפה שלו. אנרגיה נוספת שתסופק תומר לאנרגיה קינטית של האלקטרון המאפשרת לו לנוע בחופשיות לאחר שחרורו. עם זאת, אם רק תסופק האנרגיה השווה לפונקציית העבודה, האלקטרונים הנפלטים יישארו על פני המתכת, ללא יכולת לזוז בגלל היעדר אנרגיה קינטית.
כדי שהאור יעביר את האנרגיה שלו לאלקטרון שמקורו חומרי, חושבים שאנרגיית האור, למעשה, אינה רציפה כמו גל, אלא מגיעה במנות אנרגיה נפרדות הידועות בשם 'קוונטה'. לכן, ייתכן שהאור יעביר כל קוונטת אנרגיה לאלקטרונים בודדים וגורם להם להזיז החוצה מהקליפה שלהם. יתר על כן, כאשר המתכת מקובעת כקתודה בצינור ואקום עם אנודה קולטת בצד הנגדי עם מעגל חיצוני, האלקטרונים שנפלטים מהקתודה יימשכו על ידי האנודה, שנשמרת במתח חיובי לכן, זרם מועבר בתוך הוואקום, ומשלים את המעגל.זה היה הבסיס לממצאיו של אלברט איינשטיין שזיכו אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1921.
מהו אפקט פוטו-וולטאי?
תופעה זו נצפתה לראשונה על ידי הפיזיקאי הצרפתי A. E. Becquerel בשנת 1839 כאשר ניסה לייצר זרם בין שני לוחות של פלטינה וזהב, שקועים בתמיסה ונחשפים לאור. מה שקורה כאן הוא שהאלקטרונים ברצועת הערכיות של המתכת סופגים את האנרגיה מהאור ועם עירור קופצים לפס ההולכה וכך הופכים חופשיים לנוע. האלקטרונים הנרגשים הללו מואצים לאחר מכן על ידי פוטנציאל צומת מובנה (Galvani Potential) כך שהם יכולים לחצות ישירות מחומר אחד למשנהו בניגוד לחציית חלל ואקום כמו במקרה של אפקט פוטו-אלקטרי, שהוא קשה יותר. תאים סולאריים פועלים לפי הרעיון הזה.
מה ההבדל בין אפקט פוטו-אלקטרי לאפקט פוטו-וולטאי?
• באפקט הפוטו-אלקטרי, האלקטרונים נפלטים לחלל ואקום ואילו, באפקט פוטו-וולטאי, האלקטרונים נכנסים ישירות לחומר אחר עם פליטתו.
• אפקט פוטו-וולטאי נצפה בין שתי מתכות המצויות זו בזו בפתרון אך אפקט פוטו-אלקטרי מתרחש בשפופרת קרן קתודית בהשתתפות קתודה ואנודה המחוברות באמצעות מעגל חיצוני.
• התרחשות האפקט הפוטואלקטרי קשה יותר בהשוואה לאפקט הפוטו-וולטאי.
• האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הנפלטים משחקת תפקיד גדול בזרם המופק מהאפקט הפוטואלקטרי בעוד שהיא לא כל כך חשובה במקרה של האפקט הפוטו-וולטאי.
• האלקטרונים הנפלטים דרך האפקט הפוטו-וולטאי נדחפים דרך פוטנציאל צומת בניגוד לאפקט הפוטואלקטרי שבו אין פוטנציאל צומת מעורב.
