על אור, חלקיקים ואיינשטיין
21/04/2019
למרות שאלברט איינשטיין פיתח את תורת היחסות הכללית והפרטית והיה אחראי לשורה ארוכה של תגליות מדעיות, את פרס הנובל היחיד שלו הוא קיבל על כך שהסביר את האפקט הפוטואלקטרי. אפקט זה הוא פליטה של אלקטרונים מחומר כתוצאה מפגיעת אור, והסברו מהווה תרומה מהותית להתפתחות המכניקה הקוונטית.
בתחילת המאה ה-20, הפיזיקאים היו די מרוצים מעצמם. מספרים כי ב-1900 הפיזיקאי החשוב הלורד קלווין אמר "לא נותר שום דבר חדש לגלות בפיזיקה. כל שנותר הוא לבצע מדידות מדויקות יותר ויותר" [1]. הלך הרוח הזה נבע מכך שבאותה התקופה הפיזיקה הצליחה להסביר מגוון מרשים של תופעות. בעיקר בלטה התיאוריה של מקסוול שאיחדה את תופעות החשמל והמגנטיות במסגרת אחת וחזתה בצורה מדויקת להפליא את תכונותיו של האור. זה היה שיאה של הפיזיקה ה"קלאסית". עם זאת, התחילו להצטבר סימנים לכך שהתיאוריה של מקסוול לא יכולה להסביר במלואה את האור.
הסנונית הראשונה הייתה נושא קרינת הגוף השחור, עליה כתבנו בעבר [2]. בקצרה, גוף שחור הוא גוף הפולט אור בהתאם לטמפרטורה שלו. לפי התיאוריה של מקסוול, לא ניתן היה להסביר את ספקטרום האור שנפלט מגופים כאלו. למעשה, התיאוריה חזתה שכמות האור מגוף כזה תהיה אינסופית! דבר כזה אינו אפשרי פיזיקלית שכן ממנו נובעת כמות אנרגיה אינסופית. מי שפתר את הבעיה היה מקס פלנק שהציע שהאור לא נבלע ונפלט מחומר בצורה רציפה, אלא במנות (קוונטות) בדידות [3]. למרות זאת, פלנק התעקש שעניין המנות אינו מתאר באמת את התנהגות האור אלא הינו תכסיס מתמטי בלבד לפתרון הבעיה. לדידו, האור לא באמת מורכב ממנות בדידות. הוא חשב שההסבר לתופעה היה בכך שחומר יכול לבלוע ולפלוט אור במנות בדידות בלבד.
ב-1901, איינשטיין שמע על הניסוי של פיליפ לנארד, אותו כינה יצירת מופת. לנארד הקרין אור בעוצמות שונות (כלומר בבהירות שונה) ובתדרים שונים (כלומר בצבעים שונים) על חומרים ומדד את התכונות של האלקטרונים שנפלטו מהחומר כתוצאה מכך. לנארד מדד את כמות האלקטרונים הנפלטים מחומר ואת האנרגיה בה הם נפלטים וגילה כמה ממצאים מפתיעים מאוד.
כדי להבין מדוע היו ממצאים אלו מפתיעים, יש להבין מה חוזה התיאוריה של מקסוול לניסוי כזה. על פי התיאוריה, עוצמת האור היא הדבר היחיד הקובע את האנרגיה של האור. לכן בכל תדר של האור נצפה לפליטת אלקטרונים החל מעוצמה מסוימת. למעשה, תדירות האור לא צפויה להשפיע על הניסוי כלל. כמו כן, התיאוריה חוזה כי האנרגיה של האלקטרונים הנפלטים תגדל ככל שעוצמת האור גדלה. הניסוי של לנארד סתר לחלוטין את כל הציפיות של התיאוריה!
ראשית, לא כל תדר של אור גרם לאלקטרונים להיפלט. היו תדרים שעבורם גם בעוצמות אור גבוהות, אלקטרונים פשוט לא נפלטו מהחומר. שנית, הוא הבחין כי בתדרים שבהם נפלטו אלקטרונים, עוצמת האור לא שינתה את האנרגיה של האלקטרונים. הוא גם זיהה קשר בין האנרגיה של האלקטרונים לבין תדירות האור. התלות החזקה של הניסוי בתדירות האור הייתה מפתיעה לחלוטין ולא היה ברור מה מקורה.
הקשר בין האנרגיה של האור והתדירות שלו הופיע כבר קודם לכן בעבודתו של פלאק, ואיינשטיין היה זה שזיהה את הקשר הזה גם בניסוי של לנארד. אינשטיין הבין כי הנחת המנות של פלנק יכולה להסביר את האפקט בצורה מלאה. עם זאת, הוא התעקש כי האור עצמו מורכב ממנות בדידות, בניגוד לפלנק שטען שהאור הוא רציף והמנות הבדידות נובעות מהחומר שבולע את האור. בזאת, איינשטיין היה הראשון להניח שהאור עצמו הוא מקוונטט (כלומר מחולק למנות קטנות ובדידות) וכי האנרגיה של כל מנה כזו תלויה ישירות בתדירות האור. ככל שהתדירות גדולה יותר כך לכל מנה יש יותר אנרגיה. הוא היה הראשון שלא התייחס להנחה של פלנק רק כתכסיס מתמטי אלא קיבל אותה כאמת פיזיקלית, ופירש את האפקט הפוטואלקטרי כהתנגשות בין חלקיקים (הפוטון מתנגש באטום ובכך מוביל לשחרור האלקטרון). הוא אפילו כתב במאמר ב1906 כי פלנק לא תפס את מלוא ההשלכות של ההנחה שלו. בעזרת ההבנה הזו, איינשטיין חזה במדויק את הקשר בין אנרגיית האלקטרונים הנפלטים לבין תדירות האור. תחזית זו אושרה בהמשך במלואה בניסויו של מיליקן ובכך בסופו של דבר נסללה דרכו של איינשטיין לפרס הנובל.
הבנה זו של איינשטיין היוותה את התשתית לרעיון אשר אנחנו מכירים כיום כ"פוטון" – המנה הבסיסית ביותר של האור. כיום אנחנו יודעים כי אכן איינשטיין צדק בהנחתו כי האור למעשה מורכב ממנות-קוונטות בסיסיות והבנה זו מאפשרת לנו להבין את התנהגותו ואת האינטראקציה בין אור וחומר. עם זאת, ההסבר לאפקט הפוטואלקטרי עדיין לא שכנע את הקהילה המדעית דאז בדבר קיומם של הפוטונים. ההסבר האלטרנטיבי לפיו רק הבליעה והפליטה של האור היא קוונטית עדיין היה מקובל ברבים. הפתרון לכך הגיע בסדרת ניסויים שבוצעה בהמשך שאישרו שהאור קוונטי ומורכב מפוטונים.
האפקט הפוטואלקטרי הוא חשוב ובסיסי ביותר בתחומי מדע רבים וכן הבנתו סללה את הדרך לתחום האנרגיה הסולארית. עם זאת, חשיבותו הגדולה ביותר היא בקידום ההבנה כי האור הוא קוונטי ומורכב מפוטונים. הבנה בסיסית זו נמצאת בליבן של תופעות רבות בפיזיקה, כימיה, ביולוגיה והנדסה. בין היתר, היא מהווה את אחד הנתיבים האפשריים לפיתוח טכנולוגיות קוונטיות ומחשוב קוונטי.
מקורות והערות הכותב:
[1] הלורד קלווין היה פיזיקאי בולט שהיה מאבות התרמודינמיקה. הציטוט מתוך הספר "איינשטיין – חייו והיקום שלו" מאת וולטר אייזקסון בהוצאת ידיעות אחרונות (בעברית). המחבר נותן שם את ההערה "בספרים ובמקורות רבים מייחסים את הציטוט הזה לנאום שנשא הלורד קלווין בפני "האגודה הבריטית לקידום המדע" ב1900. לא מצאתי ראיה ישירה לדברים, ולכן כתבתי כי "מספרים" שהוא אמר זאת". בחרתי גם להביא את הציטוט ברוח זו.
[2] קישור לפוסט על קרינת הגוף השחור:
[3] ההצעה של פלנק רומזת כי רק כמויות מסוימות של אנרגיית האור יכולות להיפלט או להיבלע בחומר, ולא כל כמות הינה אפשרית.
לקריאה נוספת:
[4] אודות ההיסטוריה של גילוי האפקט הפוטואלקטרי אני ממליץ לקרוא בספר "איינשטיין – חייו והיקום שלו" מאת וולטר אייזקסון בהוצאת ידיעות אחרונות (בעברית).
[6] על האפקט הפוטואלקטרי בוויקיפדיה
דוקטורנט לפיזיקה במכון ויצמן. חוקר אופטיקה לא-לינארית, בתוכה ספציפית את התחום של פיזיקה של אטו-שניות בה מנסים למדוד ולאפיין תהליכים קוונטיים המתרחשים במיליארדית המיליארדית של השנייה.
