תגלית חדשה מערערת את ההסבר של אינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי

תגלית חדשה מערערת את ההסבר של אינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי

 

ב-1905 אינשטיין פתר את אחת התעלומות במדע שקרויה האפקט הפוטואלקטרי בעזרת קוואנטות האור. ההסבר שאינשטיין נתן לאפקט הפוטואלקטרי ב-1905 הוא שקוואנט של אור (שאחר כך כינה אותו בשם פוטון) משליך החוצה אלקטרון אחד, כאשר הראשונים ללכת הם האלקטרונים הקיצוניים באטום, כי האטום מחזיקם פחות חזק. כלומר אינשטיין נתן הסבר חלקיקי לאפקט הפוטואלקטרי ואינשטיין אפילו זכה ב-1921 בפרס נובל על הסברו לאפקט הפוטואלקטרי ולא על תורת היחסות הפרטית. והנה היום – יותר ממאה שנה אחרי מאמרו המפורסם של אינשטיין – במחקר חדש פיזיקאים מתארים כיצד הם ירו באטומי קסנון בעזרת ליזר עוצמתי של קרני x מסוג “פלאש”. הדבר גרם להוצאת מספר עצום של 21 אלקטרונים מיידית מאטומי הקסנון, מה שמצביע שהייתה הארה של 50 פוטונים בו-זמנית. יותר מכך, האלקטרונים הראשונים לצאת היו דווקא מהאזור הפנימי של האטום ולא אלה הקיצוניים. וכל זאת לפי מחקר חדש שמתפרסם בימים אלה בכתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

בעקבות המחקר ההסבר של אינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי נראה שזקוק להרחבה “גלית” כאשר מדובר בעוצמות קרינה במיוחד חזקות. זאת כפי שאמר אחד ממחברי המאמר של המחקר החדש, מטיאס ריכטר: “עכשיו אנחנו יכולים לבוא ולומר, שאפילו האפקט הפוטואלקטרי מתואר טוב יותר לפי התמונה הגלית של האור אם תיישמו את העוצמות הגבוהות האלה”. דבר זה גורם לפיזיקאים לחשוב מחדש על המושגים הבסיסיים ביותר של תורת הקוונטים, דואליות חלקיק-גל. שהרי האפקט הפוטואלקטרי היה האפקט המפורסם ביותר שהדגים כיצד האור יכול היה לקבל דווקא אופי חלקיקי.

 

אינשטיין, האפקט הפוטואלקטרי והקוואנטות – 1905   

אינשטיין הציע ב-1905 שהאור מופיע לא רק כגלים אלא בצורת חבילות זעירות – קוואנטות של אור, שמאוחר יותר נקראו בשם “פוטונים”. הכותרת של המאמר שאותו מסר לפרסום ב-17 למרץ 1905 ל-אנאלן דר פיזיק היא: “על נקודת המבט היוריסטית על היצירה והטרנספורמציה של האור“. למה היוריסטי? פירושו היפותזה שמשמשת כמנחה ונותנת כיוון לפתרון הבעיה אבל היא לא נחשבת למוכחת. אינשטיין דגל בתורות עקרון. הוא מצא עקרון מנחה יורסטי שהנחה אותו בחיפוש אחר התיאוריה והכיוון אחר הפתרון.

אינשטיין בסביבות 1905

ב-15 לאפריל, 1904 אינשטיין כתב לחברו קונרד הבישט כמה שורות: “אנא בוא מיד, הרי יש לך אופנים!… מצאתי עכשיו את הקשר בין הגודל של הקוואנטות היסודיות של החומר לאורך הגל של הקרינה בדרך פשוטה ביותר”.

הייתה מוזרות אודות הקרינה שדרשה הסבר והיא נקראה האפקט הפוטואלקטרי, והיא מתרחשת כאשר אור שפוגע במשטח מתכתי גורם לאלקטרונים להשתחרר ולהיפלט. במכתב שאותו אינשטיין כתב למילבה מאריץ’, ארוסתו דאז ואשתו לעתיד ב-28 למאי 1901, אינשטיין התלהב מיצירה נהדרת שאותה קרא של פיליפ לנארד שחקר בנושא. בניסויים שלו לנארד גילה משהו לא צפוי. כאשר הוא הגביר את התדירות של האור – בעודו נע מחום אינפרא אדום ואור אדום ומעלה לעבר תדירויות הסגול והאולטרא סגול – האלקטרונים הנפלטים הואצו החוצה בהרבה יותר אנרגיה. אחר כך הוא הגדיל את עוצמת האור על ידי זה שהוא השתמש בנורת קשת פחמנית שיכלה להיעשות בהירה יותר ויותר בפאקטור של אלף. לאור החזק יותר והבהיר יותר הייתה יותר אנרגיה ולכן זה נראה הגיוני שלאלקטרונים שיפלטו תהיה יותר אנרגיה והם יאיצו מהר יותר. אבל זה לא קרה ככה. אור יותר חזק יצר יותר אלקטרונים, אבל האנרגיה של כל אחד מהאלקטרונים נותרה אותה אנרגיה. זה היה משהו שהתורה הגלית של האור לא יכלה להסביר.

פיליפ לנארד בסביבות 1900 – מאוחר יותר הביע דעות אנטישמיות כלפי אינשטיין ותורת היחסות

כלומר הציפייה הייתה שהאנרגיה של האלקטרונים תהיה תלויה בעוצמה של האור, או בכמה אנרגיה האור מעביר לשטח נתון בזמן נתון. לנארד בניסוי שלו הראה שבמקום זאת האנרגיה של האלקטרונים הייתה תלויה בתדירות של האור, או אם תרצו בצבע של האור.

ברם, בראיה לאחור מהזווית של הניסוי החדש של 2009 שדווח עתה בכתב העת Physical Review Letters לנארד לא ביצע – וגם לא יכול היה לבצע – את הניסוי שלו עם אור מאוד חזק כמו זה של הלייזר האלקטרונים החופשי “פלאש” מהמבורג בעוצמות קרינה גבוהות של כמה פטהוואט (10 בחזקת 15 וואט). או אז לו היה מבצע את הניסוי כך מסקנותיו היו מעט שונות וכך גם אלו של אינשטיין!

אינשטיין עצמו התעמק בבעיה ובעבודה של מקס פלאנק וזו של לנארד במשך ארבע שנים. אינשטיין כתב לחברו קונרד הבישט ב-15 לאפריל 1904, “אני עתה מצאתי בדרך פשוטה מאוד את הקשר בין הגודל של הקוואנטות האלמנטאריות של החומר ואורכי הגל של הקרינה”. הוא כך התחיל, כמו שזה נראה, ליצור תיאוריה לפיה שדה הקרינה מורכב מקוואנטות. במאמרו מ-1905 על קוואנטות האור, שפורסם שנה אחר כך, אינשטין עשה בדיוק את זה. הוא לקח את התפנית המתמטית שאותה ביצע פלאנק ופרש אותה פשוטו כמשמעו והוא גם קישר אותה לתוצאות של לנארד אודות האפקט הפוטואלקטרי. אינשטיין כך ניתח את האור כאילו הוא באמת מורכב מחלקיקים נקודתיים – קוואנטות של אור, כפי שכינה אותן – במקום שיהיה גל רציף.

אינשטיין התחיל את מאמרו על ידי זה שהוא תאר את ההבחנה הגדולה בין תיאוריות שמבוססות על חלקיקים (כמו התורה הקינטית של הגזים) והתיאוריות שקשורות בפונקציות רציפות (כמו השדות האלקטרומגנטיים של תורת האור הגלית). “קיים הבדל פורמאלי עמוק בין התיאוריות שהפיזיקאים יצרו אודות גזים וגופים פונדרבילים אחרים, לבין התורה של מקסוול לתהליכים האלקטרומגנטיים במה שקרוי החלל הריק”, הוא ציין. “בעוד שאנחנו בוחנים את המצב של גוף כלגמרי נקבע על ידי המיקומים והמהירויות של מספר אטומים ואלקטרונים מאוד גדול אך עדיין סופי, אנו מבצעים שימוש בפונקציות מרחביות רציפות כדי לתאר את המצב האלקטרומגנטי של נפח נתון”.

בטרם הוא הסביר את תורת החלקיקים של האור, הוא הדגיש שלא היה צורך לוותר על התורה הגלית שתמשיך להיות יעילה גם כן. “תורת הגלים של האור, שפועלת עם פונקציות מרחביות רציפות, פעלה היטב ביצוגים של תופעות אופטיות טהורות והיא כנראה אף פעם לא תוחלף על ידי תורה אחרת”.

הדרך של אינשטיין לפשר בין התורה הגלית והתורה החלקיקית הייתה להציע, בדרך “היוריסטית”, שהתצפית שלנו של גלים קשורה בממוצע סטטיסטי של מיקומים של מה שיכול להיות אינסוף של חלקיקים. “יש לזכור”, הוא אמר, “שהתצפיות האופטיות מתייחסות לממוצע הזמן במקום לערכים רגעיים”.

ואז בא אולי המשפט המהפכני ביותר שאינשטיין אי פעם כתב. הוא מציע שהאור מורכב מחלקיקים בדידים או חבילות אנרגיה:

לפי ההנחה שתבחן כאן, כאשר קרן אור מתפשטת מנקודה, האנרגיה לא מפוזרת בצורה רציפה עלפני חלל גודל והולך, אלא מורכבת ממספר סופי של קוואנטות של אנרגיה שהן מוגבלות למקום בנקודות בחלל , שנעות ללא חלוקה ושניתן לצור אותן ולבלוע אותן רק כיחידות שלמות.

אינשטיין הראה כיצד הקיום של קוואנטות אור אלה יכל להסביר את מה שהוא כינה “העבודה החלוצית” של לנארד על האפקט הפוטואלקטרי. אם האור הופיע בצורת קוואנטות בודדות, אז האנרגיה של כל אחת נקבעה פשוט על ידי התדירות של האור כפול קבוע פלאנק. אם נניח, אינשטיין הציע, “שקוואנטת אור מעבירה את האנרגיה שלה כולה לאלקטרון בודד”, נובע מכאן שאור בעל תדירות גבוהה יותר יגרום לאלקטרונים להפלט ביותר אנרגיה. מאידך, הגברת העוצמה של האור (אבל לא התדירות) פשוט משמעה יהיה שיותר אלקטרונים יפלטו, אבל האנרגיה של כל אחד מהם עדיין תהיה אותה אנרגיה. והרי זה בדיוק מה שלנארד מצא. אינשטיין ניסה להראות שמסקנותיו הוסקו מבחינה תיאורטית במקום שנגרמו לגמרי מנתוני הניסוי. וכאן הוא הכריז על הנחת היסוד של מאמרו שהאור מורכב מקוואנטות: “ככל שאני יכול לראות, התפישה שלנו לא עומדת בסתירה עם התכונות של האפקט הפוטואלקטרי שנצפה על ידי מר. לנארד”.

התיאוריה של אינשטיין מ-1905 הפיקה חוק לאפקט הפוטואלקטרי שניתן היה לבודקו ניסויית: האנרגיה של האלקטרונים הנפלטים תהיה תלויה בתדירות האור לפי נוסחא מתמטית פשוטה שקשורה בקבוע פלאנק. לאחר פרסום המאמר של אינשטיין הפיזיקאי רוברט מיליקאן, שיותר מאוחר יהיה ראש המכון לטכנולוגיה בקליפורניה והוא ינסה לגייס את אינשטיין אליו, ביצע ניסוי מכריע ואימת את התוצאה ואת נוסחאת האפקט הפוטואלקטרי של אינשטיין. אבל מיליקאן התנגד לתיאוריה של אינשטיין: “למרות ההצלחה הגמורה הנראית של משוואת אינשטיין”, הוא קבע, “התיאוריה הפיזיקאלית שעליה היא מתוכננת כביטוי הסימבולי נמצאת כל כך רופפת שאינשטיין עצמו, אני סבור שלא מאמין בה יותר”.

רוברט מיליקאן

אבל מיליקאן טעה. כי אינשטיין זכה בפרס הנובל היחיד שלו בשביל גילוי האפקט הפוטואלקטרי, ועם התקדמות מכניקת הקוואנטים המציאות של הפוטון נהפכה לחלק יסודי של הפיזיקה. אולם מיליקאן צדק בכך שאינשטיין הפסיק להאמין בדואליות חלקיק-גל ובאימפליקציות של הקוואנטים ומצא שהן מאוד מדאיגות מאוחר יותר. במכתב שאותו הוא כתב לחברו הטוב מיקלה בסו לקראת סוף חיי שניהם ב-12 לדצמבר 1951, לאחר שמכניקת הקוואנטים כבר הייתה מקובלת כמעט על ידי כל הפיזיקאים בעולם כולו, אינשטיין קונן: “כל חמישים השנים האלה של התעמקות לא הובילו אותי קרוב יותר לתשובה על השאלה, מה הן קוואנטות האור?”

 

התגלית החדשה – 2009

מדענים מה- Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) מברלין יחד עם קולגות מהמבורג מצאו שבעוצמות אור מאוד גבוהות, דברים מאוד מוזרים מתרחשים.

ב-1905 עדין לא התגלה הליזר, והרי לאינשטיין עצמו הייתה מידה רבה של תרומה בגילוי הקרינה המאולצת ב-1917 שהובילה בכלל לגילוי הליזר מאוחר יותר.

המדענים ביצעו ניסוי בהמבורג ולגמרי במקרה גילו שישנה בעיה בהסבר של אינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי וכל זאת הם גילו בעזרת ליזר האלקטרונים-החופשי הראשון בעולם free-electron laser (FEL) עבור קרני x רכות מסוג “פלאש”. כפי שנאמר למעלה, בגרסה המקורית של אינשטיין והניסוי של לנארד, או לפי המודל הנוכחי לאפקט הפוטואלקטרי שמבוסס על ההסבר של אינשטיין עוד מאז מאמרו מ-1905, פוטון אחד משליך אלקטרון אחד, כאשר הראשונים ללכת הם האלקטרונים החיצוניים – כי האטום מחזיקם פחות חזק. כל זאת בתנאי שאנרגית הפוטון היא מספיק גבוהה (כלומר, תלות במאפין הקרינה).

אולם, במחקר החדש הפיזיקאים מתארים כיצד הם ירו באטומי קסנון בעזרת ליזר קרני x מסוג “פלאש” – ליזר שמשתמש בפוטונים חזקים בטווח האנרגיה האולטרא-סגול הקיצוני (בערך פי 40 מהאנרגיה של האור הנראה. ובשפה טכנית: באורכי גל של 13 ננומטרים בלבד ובעוצמות קרינה גבוהות של כמה פטהוואט – 10 בחזקת 15 וואט, לסנטימטר מרובע). אטומי הקסנון הוציאו מספר עצום של 21 אלקטרונים מיידית, מה שמצביע שהייתה הארה של 50 פוטונים בו-זמנית. יותר מכך, האלקטרונים הראשונים לצאת היו דווקא מהאזור הפנימי של האטום, זאת בעוד שבגרסה המקורית של האפקט הפוטואלקטרי הראשונים ללכת הם דווקא האלקטרונים הקיצוניים כי הם אלה שקשורים הכי פחות חזק. לכן, עם קסנון, חבילת גל-אור שלמה מיד נראה שמוציאה החוצה מספר עצום של אלקטרונים פנימיים. אפקט זה תלוי מאוד בחומר ולא רק במאפיינים של הקרינה הקיימת, כפי שהיה מקובל קודם. העבודה שפורסמה עתה ב- Physical Review Letters היא בעלת משמעות לניסויים עתידים במחקר בחומרים שבמתקני לייזר ענקיים בקרני x בעולם:

 

המאמר:

 Phys. Rev. Lett. 102, 163002 (2009)

Extreme Ultraviolet Laser Excites Atomic Giant Resonance

 

 

 

M. Richter,1 M. Ya. Amusia,2 S. V. Bobashev,2 T. Feigl,3 P. N. Juranić,4 M. Martins,5 A. A. Sorokin,1,2 and K. Tiedtke4
1Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Abbestraße 2-12, 10587 Berlin, Germany
2Ioffe Physico-Technical Institute, Polytekhnicheskaya 26, 194021 St. Petersburg, Russia
3Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, Albert-Einstein-Straße 7, 07745 Jena, Germany
4Deutsches Elektronen-Synchrotron, Notkestraße 85, 22603 Hamburg, Germany
5Universität Hamburg, Institut für Experimentalphysik, Luruper Chaussee 149, 22761 Hamburg, Germany

Received 15 January 2009; published 24 April 2009

Exceptional behavior of light-matter interaction in the extreme ultraviolet is demonstrated. The photoionization of different rare gases was compared at the free-electron laser in Hamburg, FLASH, by applying ion spectroscopy at the wavelength of 13.7 nm and irradiance levels of thousands of terawatts per square centimeter. In the case of xenon, the degree of nonlinear photoionization was found to be significantly higher than for neon, argon, and krypton. This target specific behavior cannot be explained by the standard theories developed for optical strong-field phenomena. We suspect that the collective giant 4d resonance of xenon is the driving force behind the effect that arises in this spectral range.

 

Advertisements

0 thoughts on “תגלית חדשה מערערת את ההסבר של אינשטיין לאפקט הפוטואלקטרי

  1. 1) לפי הבנתי את הקישור שאליו הפנית “פלאש” איננו סוג של לייזר או קרני לייזר אלא שם של מתקן הממוקם בהמבורג.
    2) לא ברור לי איך הסביר אינשטיין את האפקט הפוטואלקטרי באמצעות האלקטרונים החיצוניים באטום, כיון שמודל האטום עם הרמות האלקטרוניות נהגה על ידי בוהר ב1913 הוא קיבל על כך פרס נובל ב1922?
    3) האלקטרונים הנפלטים ממתכת בה פוגע אור לא נפלטים מרמות אלקטרוניות אלא מפס ההולכה.
    4) נכתב כי “אור יותר חזק יצר יותר אלקטרונים” אור לא מייצר אלקטרונים לפחות לא בניסוי הנ”ל הוא משחרר אותם

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s