چگونه کشف اینشتین باعث تغییر فناوری شد؟
بیش از یک قرن قبل، آلبرت اینشتین اثر فوتوالکتریک را در مقالهای انقلابی توصیف کرده بود؛ اثر فوتوالکتریک از آن زمان تا امروز پایه بسیاری از فناوریها شده است؛ از دزدگیرها تا صفحات خورشیدی و دوربین گوشی هوشمند.
به گزارش سیتنا، مهندس یک دوربین فلشدار برداشت، آن را به سمت صفحه مدار کوچکی که روی میز قرار داشت نشانه گرفت و دکمه را فشار داد. برای کسری از ثانیه، نور اتاق را پر کرد. همه پلک زدند و متوجه شدند که کامپیوتر هنگ کرده است.
تیم رزبریپای تازه تایید کرده بود که محصولشان که یک کامپیوتر ارزان برای مدارس و علاقهمندان وسایل الکترونیک است، از عکس گرفتن خوشش نمیآید. دستکم وقتی که با یک لامپ زنون بزرگ از آن عکس گرفته میشود.
ایبن آپتون، بنیانگذار شرکت کامپیوتری رزبریپای، آن روز را به یاد میآورد: «همهمان از هنگ کردنش کیف کردیم».
آنها متوجه شده بودند که یک تراشه در کامپیوتر به اثر فوتوالکتریک حساس است. این حساسیت وقتی بروز میکند که نور باعث آزاد شدن الکترونها و در نتیجه جریان برق میشود. در واقع به شکل «کلید معکوس نور» عمل میکند.
آپتون و همکارانش این مسئله را پیشبینی نکرده بودند. این مشکل توسط یکی از کاربران رزبریپای مدت کوتاهی بعد از عرضه آن در اوایل سال ۲۰۱۵ کشف شد. در نسخههای بعدی کامپیوتر، تراشه دردسرساز با پوشش سیاهی پوشانده شد که به اندازه کافی ضخیم بود تا جلوی ورود نور را بگیرد.
بیش از یک قرن قبل، آلبرت اینشتین اثر فوتوالکتریک را در مقالهای انقلابی توصیف کرده بود. یکی از چهار مقالهای که او در سال ۱۹۰۵ و در زمان دانشجویی دکترا منتشر کرد. در سال ۱۹۲۱، همین موضوع جایزه نوبل فیزیک را برای او به همراه داشت.
اثر فوتوالکتریک از آن زمان تا امروز پایه بسیاری از فناوریها شده است. از دزدگیرها تا صفحات خورشیدی و دوربین گوشی هوشمند شما.
پدیدههای عجیب
برای درک بهتر، بیایید به پرسشی فکر کنیم که در سال ۱۹۰۵ ذهن اینشتین را درگیر کرده بود: نور از چه ساخته شده است؟
در آن زمان بسیاری از دانشمندان معتقد بودند نور فقط از یک موج تشکیل شده است.
اما ماکس پلانک پیشتر نظریه «کوانتا» را مطرح کرده بود، ایدهای که میگفت تابش، از جمله نور، از بستههای مجزای انرژی تشکیل شده است. اما، این دیدگاه در آن زمان بسیار بحثبرانگیز بود.
دانشمندان دیگری از جمله هاینریش هرتز هم نمونههایی از اثر فوتوالکتریک را به نمایش گذاشته بودند. مثلا در آزمایشی از نور برای ایجاد جرقههای کوچک استفاده کردند و در روشی دیگر با شارژ الکتریکی ورقههای طلا توانستند آنها را از یکدیگردفع کنند.
استیو گیمبل از کالج گتیسبورگ در آمریکا میگوید: «پدیدههای عجیب و غیرقابل توضیحی وجود داشت که در آن نور میتوانست برق ایجاد کند و همین ذهن مردم را بازو کنجکاو کرد، چون به نظرخیلی عجیب میآمد»
عجیبترین نکته این بود که شدت نور تاثیری روی انرژی الکترونها نداشت، بلکه فرکانس یا رنگ نور بود که اثر میگذاشت.
این موضوع گیجکننده بود. در نگاه اول به نظر میرسد نور شدید باید انرژی بیشتری داشته باشد. اما اینشتین دریافت که اگر نور از بستههای مجزا یا ذراتی با ویژگیهای موجی ساخته شده باشد، آن وقت انرژی این ذرات میتواند این معادله را توضیح دهد. این بستههای مجزا و ذرات بعدتر فوتون نام گرفت.
الکترونهای برانگیخته
آنطور که پل دیویس از دانشگاه یورک توضیح میدهد: « تا وقتی یک فوتون منفرد به یک الکترون برخورد میکند، -الکترون- برانگیخته میشود».
تا زمانی که فوتون با انرژی کافی برخورد کند، اثر فوتوالکتریک رخ میدهد و الکترون از ماده آزاد میشود.
مقدار انرژی یک فوتون مستقیماً به رنگ نور مرئی بستگی دارد. برای مثال فوتونها با نور آبی انرژی بیشتری نسبت به نور قرمز دارند. به همین اساس، هرتز دریافت که نور فرابنفش جرقههای قویتری در آزمایشهایش تولید میکرد.
کار اینشتین، بهویژه نظریه نسبیت خاص او بحثبرانگیز بود. بنابراین برخی از اعضای کمیته فیزیک نوبل برای اهدای جایزه به او تردید داشتند. در نهایت تصمیم گرفتند جایزه را به خاطر پژوهشهای او درباره اثر فوتوالکتریک اهدا کنند.
دانشمندان سالها بحث کردند که آیا این بهترین انتخاب بود یا نه، اما تردیدی نیست که مهار اثر فوتوالکتریک جهان ما را دگرگون کرده است، چون بسیاری از فناوریها بر آن تکیه دارند.
به عنوان مثال، حسگرهای حرکتی در سیستمهای دزدگیر، پرتوهایی از نور مادون قرمز ساطع میکنند. وقتی این پرتو توسط یک مزاحم قطع میشود، نوری که به حسگر میرسد تغییر میکند، جریان برق دگرگون میشود و این باعث به صدا درآمدن آژیر میشود.
برای خط پایان مسابقات المپیک از سلولهای فوتوالکتریک استفاده شده تا نقطه عبور دوندگان به دقت تشخیص داده شود. این فناوری امکان تشخیص مه را به کشتیها و بارش باران را به خودروها داده است. به این ترتیب امکان استفاده از مه شکن و برفپاککنهای خودکار را فراهم کرده است.
یکی دیگر از کاربردهای محبوب اثر فوتوالکتریک در حسگرهای دوربین است. بخش حساس به نور یک دوربین دیجیتال که تصاویر را ثبت میکند.
تقریباً همه آنها از فناوری سی-ام-او-اس استفاده میکنند؛ فناوری که در دهه ۱۹۹۰ در ناسا برای استفاده در فضا بهینه شد، اما بعدها در میلیاردها گوشی هوشمند به کار رفت.
درخشش ماه
اریک فاسوم، یکی از مهندسانی که در پروژه ناسا حضور داشت، اکنون روی ساخت حسگرهای تصویربرداری کار میکند که به کوچکترین میزان نور قابل تصور، حتی یک فوتون حساس هستند.
این «شمارندههای فوتون» که از هماکنون در آزمایشگاهها به کار میروند، میتوانند دنیای تصویربرداری دیجیتال را متحول کنند؛ برای مثال کیفیت تصویر در اسکنرهای پزشکی سی-تی، را بهبود دهند در حالی که بیماران کمتر در معرض پرتو قرار بگیرند.
فاسوم، که اکنون در کالج دارتموث فعالیت میکند، میگوید: «با این فناوری ما عملاً توانایی خواهیم داشت در تاریکی ببینیم.»
از زمانی که اینشتین در سال ۱۹۰۵ نظریهاش درباره اثر فوتوالکتریک را مطرح کرد، ما قطعاً راههای سرگرمکننده و جالب بسیاری برای استفاده از آن پیدا کردهایم.
اما ماجرا به این ختم نمیشود. در دهه ۱۹۶۰، نخستین کاوشگرهای ماه متوجه چیزی عجیب در افق ماه شدند: یک درخشش مرموز، تقریباً شبیه غروب خورشید که آرام آرام محو میشود. با این تفاوت که ماه مثل زمین جو ندارد؛ روی زمین این پراکندگی نور توسط ذرات جو است که طلوع و غروبها را به وجود میآورد.
این درخشش ماه از کجا میآمد؟
مشخص شد که نور خورشید با غبار سطح ماه برخورد میکند و از طریق اثر فوتوالکتریک، به آن بار الکتریکی مثبت میدهد.
این ذرات غبار کوچک یکدیگر را دفع میکردند، گهگاهی کمی بالای سطح ماه شناور میشدند. همانطور که بالا میرفتند، نور خورشید تازه غروبکرده را جذب میکردند و آن درخشش جادویی را به وجود میآوردند.
این مطلب بهصورت همکاری مشترک بین مرکز ترویج جایزه نوبل و بیبیسی تهیه شده است.
انتهای پیام
افزودن دیدگاه جدید