Senda inn spurningu
Sólin Sólin Rís 05:36 • sest 21:19 í Reykjavík
Tunglið Tunglið Rís 16:44 • Sest 05:50 í Reykjavík
Flóð Flóð Árdegis: 04:37 • Síðdegis: 17:05 í Reykjavík
Fjaran Fjara Árdegis: 10:57 • Síðdegis: 23:09 í Reykjavík
Visit the English version

Flokkun:

Náttúruvísindi og verkfræði Eðlisfræði: fræðileg

Hver uppgötvaði ljósröfun?

Stefán Ingi Valdimarsson

Þýski eðlisfræðingurinn Heinrich Hertz uppgötvaði ljósröfun árið 1887. Næstu tvo áratugina voru gerðar miklar rannsóknir á fyrirbærinu en eiginleikar þess voru í mikilli mótsögn við klassíska rafsegulfræði. Skýring Einsteins á fyrirbærinu frá 1905 er eitt þeirra verka sem ruddu skammtafræðinni braut. Skýringin hlaut samt ekki viðurkenningu fyrr en þó nokkru síðar.

Á seinni hluta 19. aldar gerði Heinrich Hertz ýmsar tilraunir með rafrásir sem framkalla neista milli tveggja málmkúlna. Í einni þessara tilrauna tókst honum að skapa neista í rafrás með því að láta straum fara um aðra, ótengda, rás. Hann uppgötvaði þannig útvarpsbylgjur sem eru þekktasta uppgötvun hans. Í annarri tilraun tók hann eftir því að neisti hljóp frekar milli málmkúlna ef hann lét ljós skína á þær. Þetta fyrirbæri nefndi hann ljósröfun.

Um aldamótin 1900 sýndu rannsóknir að það sem raunverulega á sér stað er að ljósið losar rafeindir af yfirborði málmkúlunnar og þessar frjálsu rafeindir bera rafhleðslu og stuðla að neistamyndun. Samkvæmt klassískri rafsegulfræði sem kennd er við Maxwell er ljós bylgjuhreyfing og því meiri orka býr í bylgjunni sem ljósið er bjartara. Með þessari kenningu mátti skýra ýmsa eiginleika ljóss en þegar henni var beitt á önnur fyrirbæri fengust niðurstöður sem voru í engu samræmi við raunveruleikann.

Fyrsta undrunarefnið var þegar í ljós kom að litur eða tíðni ljóssins skiptir miklu máli fyrir ljósröfun. Ljós með háa tíðni, svo sem blátt, fjólublátt og útfjólublátt, er miklu kraftmeira við ljósröfun en ljós af lægri tíðni. Fyrir suma málma megnar rautt ljós (það sem hefur lægstu tíðni) alls ekki að losa rafeindir af málminum. Í þessu samhengi skiptir styrkur ljóssins engu máli samanborið við tíðnina; agnardauf blá týra gat losað rafeindir af málmum sem jafnvel sterkasta rautt ljós gat ekki.

Einnig kom á óvart hversu fljótt ljósröfunin hófst. Samkvæmt klassískri eðlisfræði hefði mátt búast við að nokkur tími liði þangað til rafeindirnar á yfirborð málmsins gleyptu nógu mikla orku til að losna af yfirborðinu, því meiri tími sem ljósið er daufara vegna þess að í daufu ljósi býr minni orka. Í rauninni hefst ljósröfun hins vegar samstundis jafnvel í minnsta ljósi, ef hún hefst á annað borð.

Fyrstu skýringuna á ljósröfun setti Einstein fram árið 1905. Þar byggði hann að hluta á hugmyndum Plancks frá 1900. Planck var þá að leysa aðra gátu úr rafsegulfræði þeirra tíma, um svokallað svarthlutarróf. Planck gerði ráð fyrir að hlutir gleyptu ljós í orkuskömmtum og stærð hvers orkuskammts stæði í beinu hlutfalli við tíðni ljóssins. Einstein gerðist mun djarfari og fullyrti að allt ljós kæmi fyrir í svona orkuskömmtum sem síðar voru nefndar ljóseindir. Ljósröfun yrði þegar rafeind gleypti einn orkuskammt eða ljóseind og aðeins ef orkuskammturinn væri nógu mikill til að rafeindin gæti losnað frá málminum.

Þessi hugmynd skýrir ljósröfun fullkomlega. Ljósröfun gengur betur í bláu ljósi en rauðu vegna þess að það bláa hefur hærri tíðni en það rauða og hver orkuskammtur af bláu ljósi er því stærri. Fyrir suma málma er orkuskammtur rauðs ljóss einfaldlega of lítill til að losa ljós af yfirborði málmsins. Það þarf heldur ekki að líða neinn tími til að orka hlaðist upp á málminum; ljósröfun hefst um leið og ljóseindir mæta á staðinn, það er um leið og ljós sést. Að vísu gengur ljósröfun hraðar fyrir sig í bjartara ljósi, ef hún gerist á annað borð, vegna þess að í bjartara ljósi eru fleiri ljóseindir og hver ljóseind getur mest losað eina rafeind þannig að fleiri rafeindir losna í bjartara ljósi.

Þrátt fyrir að kenning Einsteins skýrði öll lykilatriði ljósröfunar tóku eðlisfræðingar henni með mikilli andúð. Hún minnti þá um of á þá kenningu Newtons um ljós að það væri straumur agna. Eitt helsta afrek 19. aldar eðlisfræði hafði verið að sýna fram á að ljós væri bylgja og setja fram heilsteypta kenningu um það á þeim grunni. Bylgjueðli ljóss var sannað með tilraun Thomasar Youngs frá 1802 og kenningin um ljós sem rafsegulbylgju felst í jöfnum sem James Clerk Maxwell setti fram árið 1865 þótt hlutar þeirra séu eldri. Það merkilega er að það var Hertz sem sýndi fram á með öðrum tilraunum sínum, sem áður voru nefndar, að ljós er rafsegulbylgja og staðfesti þannig kenningar Maxwells að því leyti. Þessar sömu tilraunir leiddu síðan að lokum til kenningar Einsteins um tvíeðli ljóss og "hálf-eindaeðli" þess eins og það birtist í ljósröfun.

Árið eftir að Einstein setti kenningar sínar fram lagði Robert A. Millikan út í áratugs tilraunaverkefni til að hrekja ljóseindakenningu Einsteins. Eftir þrotlausa vinnu komst hann að því að mælingar hans féllu nákvæmlega að kenningunni en engu að síður hafnaði hann tilvist ljóseindarinnar. Það var ekki fyrr en árið 1923 í kjölfar tilraunavinnu Comptons að eðlisfræðingar tóku ljóseindina fullkomlega í sátt.

Á þessum árum voru Nóbelsverðlaunin nýstofnuð og flestir þeir sem komu að ljósröfunarkenningunni hlutu þessi verðlaun. Þetta má sjá á yfirliti Nóbelsstofnunarinnar um Nóbelsverðlaunahafa í eðlisfræði fyrstu 40 árin eða svo.

Heimildir: Benson, Harris. University Physics. John Wiley and Sons, 1991.

Davíð Þorsteinsson. Rafsegulmagn og nútímaeðlisfræði 2. útgáfa, 1999.

Ohanian, H. C. Physics W. W. Norton and Company, 1989.

Höfundur

Stefán Ingi Valdimarsson

sérfræðingur á Stærðfræðistofu Raunvísindastofnunar Háskóla Íslands

Útgáfudagur

16.8.2000

Spyrjandi

Bergþór Jónsson

Efnisorð

Tilvísun

Stefán Ingi Valdimarsson. „Hver uppgötvaði ljósröfun? “ Vísindavefurinn, 16. ágúst 2000. Sótt 20. apríl 2024. http://visindavefur.is/svar.php?id=807.

Stefán Ingi Valdimarsson. (2000, 16. ágúst). Hver uppgötvaði ljósröfun? Vísindavefurinn. Sótt af http://visindavefur.is/svar.php?id=807

Stefán Ingi Valdimarsson. „Hver uppgötvaði ljósröfun? “ Vísindavefurinn. 16. ágú. 2000. Vefsíða. 20. apr. 2024. <http://visindavefur.is/svar.php?id=807>.

Chicago | APA | MLA

Þessi síða notar vafrakökur Nánari upplýsingar

Ég samþykki
Spyrja

Sendu inn spurningu LeiðbeiningarTil baka

Hér getur þú sent okkur nýjar spurningar um vísindaleg efni.

Hafðu spurninguna stutta og hnitmiðaða og sendu aðeins eina í einu. Einlægar og vandaðar spurningar um mikilvæg efni eru líklegastar til að kalla fram vönduð og greið svör. Ekki er víst að tími vinnist til að svara öllum spurningum.

Persónulegar upplýsingar um spyrjendur eru eingöngu notaðar í starfsemi vefsins, til dæmis til að svör verði við hæfi spyrjenda. Spurningum er ekki sinnt ef spyrjandi villir á sér heimildir eða segir ekki nægileg deili á sér.

Spurningum sem eru ekki á verksviði vefsins er eytt.

Að öðru leyti er hægt að spyrja Vísindavefinn um allt milli himins og jarðar!

=

Senda grein til vinar

=

Hver uppgötvaði ljósröfun?
Þýski eðlisfræðingurinn Heinrich Hertz uppgötvaði ljósröfun árið 1887. Næstu tvo áratugina voru gerðar miklar rannsóknir á fyrirbærinu en eiginleikar þess voru í mikilli mótsögn við klassíska rafsegulfræði. Skýring Einsteins á fyrirbærinu frá 1905 er eitt þeirra verka sem ruddu skammtafræðinni braut. Skýringin hlaut samt ekki viðurkenningu fyrr en þó nokkru síðar.

Á seinni hluta 19. aldar gerði Heinrich Hertz ýmsar tilraunir með rafrásir sem framkalla neista milli tveggja málmkúlna. Í einni þessara tilrauna tókst honum að skapa neista í rafrás með því að láta straum fara um aðra, ótengda, rás. Hann uppgötvaði þannig útvarpsbylgjur sem eru þekktasta uppgötvun hans. Í annarri tilraun tók hann eftir því að neisti hljóp frekar milli málmkúlna ef hann lét ljós skína á þær. Þetta fyrirbæri nefndi hann ljósröfun.

Um aldamótin 1900 sýndu rannsóknir að það sem raunverulega á sér stað er að ljósið losar rafeindir af yfirborði málmkúlunnar og þessar frjálsu rafeindir bera rafhleðslu og stuðla að neistamyndun. Samkvæmt klassískri rafsegulfræði sem kennd er við Maxwell er ljós bylgjuhreyfing og því meiri orka býr í bylgjunni sem ljósið er bjartara. Með þessari kenningu mátti skýra ýmsa eiginleika ljóss en þegar henni var beitt á önnur fyrirbæri fengust niðurstöður sem voru í engu samræmi við raunveruleikann.

Fyrsta undrunarefnið var þegar í ljós kom að litur eða tíðni ljóssins skiptir miklu máli fyrir ljósröfun. Ljós með háa tíðni, svo sem blátt, fjólublátt og útfjólublátt, er miklu kraftmeira við ljósröfun en ljós af lægri tíðni. Fyrir suma málma megnar rautt ljós (það sem hefur lægstu tíðni) alls ekki að losa rafeindir af málminum. Í þessu samhengi skiptir styrkur ljóssins engu máli samanborið við tíðnina; agnardauf blá týra gat losað rafeindir af málmum sem jafnvel sterkasta rautt ljós gat ekki.

Einnig kom á óvart hversu fljótt ljósröfunin hófst. Samkvæmt klassískri eðlisfræði hefði mátt búast við að nokkur tími liði þangað til rafeindirnar á yfirborð málmsins gleyptu nógu mikla orku til að losna af yfirborðinu, því meiri tími sem ljósið er daufara vegna þess að í daufu ljósi býr minni orka. Í rauninni hefst ljósröfun hins vegar samstundis jafnvel í minnsta ljósi, ef hún hefst á annað borð.

Fyrstu skýringuna á ljósröfun setti Einstein fram árið 1905. Þar byggði hann að hluta á hugmyndum Plancks frá 1900. Planck var þá að leysa aðra gátu úr rafsegulfræði þeirra tíma, um svokallað svarthlutarróf. Planck gerði ráð fyrir að hlutir gleyptu ljós í orkuskömmtum og stærð hvers orkuskammts stæði í beinu hlutfalli við tíðni ljóssins. Einstein gerðist mun djarfari og fullyrti að allt ljós kæmi fyrir í svona orkuskömmtum sem síðar voru nefndar ljóseindir. Ljósröfun yrði þegar rafeind gleypti einn orkuskammt eða ljóseind og aðeins ef orkuskammturinn væri nógu mikill til að rafeindin gæti losnað frá málminum.

Þessi hugmynd skýrir ljósröfun fullkomlega. Ljósröfun gengur betur í bláu ljósi en rauðu vegna þess að það bláa hefur hærri tíðni en það rauða og hver orkuskammtur af bláu ljósi er því stærri. Fyrir suma málma er orkuskammtur rauðs ljóss einfaldlega of lítill til að losa ljós af yfirborði málmsins. Það þarf heldur ekki að líða neinn tími til að orka hlaðist upp á málminum; ljósröfun hefst um leið og ljóseindir mæta á staðinn, það er um leið og ljós sést. Að vísu gengur ljósröfun hraðar fyrir sig í bjartara ljósi, ef hún gerist á annað borð, vegna þess að í bjartara ljósi eru fleiri ljóseindir og hver ljóseind getur mest losað eina rafeind þannig að fleiri rafeindir losna í bjartara ljósi.

Þrátt fyrir að kenning Einsteins skýrði öll lykilatriði ljósröfunar tóku eðlisfræðingar henni með mikilli andúð. Hún minnti þá um of á þá kenningu Newtons um ljós að það væri straumur agna. Eitt helsta afrek 19. aldar eðlisfræði hafði verið að sýna fram á að ljós væri bylgja og setja fram heilsteypta kenningu um það á þeim grunni. Bylgjueðli ljóss var sannað með tilraun Thomasar Youngs frá 1802 og kenningin um ljós sem rafsegulbylgju felst í jöfnum sem James Clerk Maxwell setti fram árið 1865 þótt hlutar þeirra séu eldri. Það merkilega er að það var Hertz sem sýndi fram á með öðrum tilraunum sínum, sem áður voru nefndar, að ljós er rafsegulbylgja og staðfesti þannig kenningar Maxwells að því leyti. Þessar sömu tilraunir leiddu síðan að lokum til kenningar Einsteins um tvíeðli ljóss og "hálf-eindaeðli" þess eins og það birtist í ljósröfun.

Árið eftir að Einstein setti kenningar sínar fram lagði Robert A. Millikan út í áratugs tilraunaverkefni til að hrekja ljóseindakenningu Einsteins. Eftir þrotlausa vinnu komst hann að því að mælingar hans féllu nákvæmlega að kenningunni en engu að síður hafnaði hann tilvist ljóseindarinnar. Það var ekki fyrr en árið 1923 í kjölfar tilraunavinnu Comptons að eðlisfræðingar tóku ljóseindina fullkomlega í sátt.

Á þessum árum voru Nóbelsverðlaunin nýstofnuð og flestir þeir sem komu að ljósröfunarkenningunni hlutu þessi verðlaun. Þetta má sjá á yfirliti Nóbelsstofnunarinnar um Nóbelsverðlaunahafa í eðlisfræði fyrstu 40 árin eða svo.

Heimildir: Benson, Harris. University Physics. John Wiley and Sons, 1991.

Davíð Þorsteinsson. Rafsegulmagn og nútímaeðlisfræði 2. útgáfa, 1999.

Ohanian, H. C. Physics W. W. Norton and Company, 1989....