Fotoelektromos effektus kontra fotovoltaikus hatás
Az elektronok kibocsátásának módjai a fotoelektromos hatás és a fotovoltaikus effektus során különbséget tesznek közöttük. A „fotó” előtag ebben a két kifejezésben azt sugallja, hogy mindkét folyamat a fény kölcsönhatása miatt következik be. Valójában elektronok kibocsátásával járnak a fényből származó energia elnyelésével. Meghatározásuk azonban különbözik, mivel a haladás lépései minden esetben eltérőek. A fő különbség a két folyamat között, hogy a fotoelektromos effektusban az elektronok a térbe bocsátódnak ki, míg a fotovoltaikus hatásnál a kibocsátott elektronok közvetlenül egy új anyagba kerülnek. Beszéljük meg ezt itt részletesen.
Mi az a fotoelektromos hatás?
Albert Einstein javasolta ezt az ötletet 1905-ben kísérleti adatok alapján. A fény részecsketermészetére vonatkozó elméletét azzal is magyarázta, hogy megerősítette a hullám-részecske kettősség létezését minden anyag és sugárzás esetében. A fotoelektromos effektussal kapcsolatos kísérletében kifejti, hogy ha egy fémet egy ideig elkerülik a fény, a fématomokban lévő szabad elektronok energiát tudnak elnyelni a fényből, és kilépnek a felületről, kisugározva magukat az űrbe. Ahhoz, hogy ez megtörténjen, a fénynek egy bizonyos küszöbértéknél magasabb energiaszintet kell hordoznia. Ezt a küszöbértéket az adott fém „munkafüggvényének” is nevezik. És ez az a minimális energia, amelyre az elektron eltávolításához a héjáról van szükség. A biztosított további energia az elektron kinetikus energiájává alakul át, amely lehetővé teszi az elektron szabad mozgását a felszabadulás után. Ha azonban csak a munkafüggvénynek megfelelő energiát biztosítjuk, akkor a kibocsátott elektronok a fém felületén maradnak, mozgási energia hiányában nem tudnak mozogni.
Ahhoz, hogy a fény átadja energiáját egy anyagi eredetű elektronnak, úgy gondolják, hogy a fény energiája valójában nem folytonos, mint egy hullám, hanem különálló energiacsomagokban érkezik, amelyek ún. „kvantumok.” Ezért lehetséges, hogy a fény minden egyes energiakvantumot átadjon az egyes elektronoknak, és ezáltal azok kilökjenek a héjukból. Továbbá, ha a fémet katódként rögzítjük egy vákuumcsőben, amelynek az ellenkező oldalán van egy fogadó anód egy külső áramkörrel, a katódból kilökődő elektronokat az anód vonzza, amelyet pozitív feszültségen tartanak, és, ezért a vákuumban áram folyik, amely befejezi az áramkört. Ez volt az alapja Albert Einstein felfedezéseinek, amelyek 1921-ben elnyerték neki a fizikai Nobel-díjat.
Mi az a fotovoltaikus hatás?
Ezt a jelenséget először A. E. Becquerel francia fizikus figyelte meg 1839-ben, amikor megpróbált áramot létrehozni két platina és arany lemez között, amelyeket oldatba merítettek, és amelyek fénynek voltak kitéve. Itt az történik, hogy a fém vegyértéksávjában lévő elektronok elnyelik a fény energiáját, és gerjesztésre a vezetési sávba ugrik, így szabadon mozoghatnak. Ezeket a gerjesztett elektronokat azután egy beépített csatlakozási potenciál (Galvani-potenciál) felgyorsítja, így közvetlenül tudnak átjutni egyik anyagból a másikba, ellentétben a vákuumtér áthaladásával, mint a fotoelektromos hatás esetében, ami nehezebb. A napelemek ezen a koncepción működnek.
Mi a különbség a fotoelektromos és a fotovoltaikus effektus között?
• A fotoelektromos effektusban az elektronok vákuumtérbe bocsátódnak ki, míg fotovoltaikus hatás esetén az elektronok közvetlenül egy másik anyagba kerülnek kibocsátáskor.
• Fotovoltaikus hatás figyelhető meg két fém között, amelyek oldatban egymással kapcsolatban állnak, de a fotoelektromos hatás egy katódsugárcsőben jön létre, egy katód és egy külső áramkörön keresztül csatlakoztatott anód részvételével.
• A fotoelektromos hatás létrejötte nehezebb, mint a fotovoltaikus hatás.
• A kibocsátott elektronok mozgási energiája nagy szerepet játszik a fotoelektromos hatás által keltett áramban, míg a fotovoltaikus effektusnál nem annyira.
• A fotovoltaikus hatás által kibocsátott elektronok egy csatlakozási potenciálon nyomódnak át, ellentétben a fotoelektromos effektussal, ahol nincs csatlakozási potenciál.
