Fotoaparatai, vaizdo kameros, išmanieji telefonai, naktinio matymo sistemos – visų šių įrenginių šiandien nebūtų be daugiau nei šimtmetį trukusių fundamentalių fizikos tyrimų, leidusių atskleisti ir panaudoti fotoelektrinį efektą, kuris leidžia šviesą paversti elektros impulsais.
CCD matrica
© Vida Press

Ryšį tarp šviesos ir elektros mokslininkai pastebėjo dar XIX a. 1839 m. Alexandre'as Edmondas Becquerelis sukonstravo įrenginį, kurį būtų galima pavadinti pirmąja saulės baterija. Bandymo metu jis įstatė du platinos elektrodus į sidabro chlorido tirpalą ir sujungęs juos grandine, apšvietė indą šviesos spinduliais. Elektros grandine ėmė tekėti elektros srovė. Panašų efektą 1887 m. aprašė ir Heinrichas Hertzas, kuris pastebėjo, kad šviesa padeda generuoti elektros lanką. Kiti mokslininkai netrukus įsitikino, kad šviesa sugeba iškrauti neigiamą krūvį turinčius kūnus.

To meto fizikai negalėjo tiksliai paaiškinti, kaip šviesa būdama banga perduoda energiją iš dalelių sudarytus kūnus. Buvo tikima, kad generuojamos elektros srovės stiprumas priklauso nuo šviesos intensyvumo. Pataisyti fizikos vadovėlius, o kartu ir plačiai atverti duris naujoms technologijoms padėjo keli įdomūs atradimai.

Viskas prasidėjo 1894 m., kai jaunas fizikas Maxas Planckas susidomėjo šviesa, kurią skleidžia įkaitinti kūnai. Įkišęs susuktą vielos gabaliuką po atvira liepsna M. Planckas matė, kaip metalas, kaisdamas, ima švytėti skirtingomis spalvomis. Pradžioje jis skleidžia nematomus infraraudonuosius spindulius, bet palaipsniui sušvinta raudonai, o pasiekus itin aukštą temperatūrą, vielos gabaliukas įgauna mėlyną ar atspalvį.

Eksperimento metu viena energijos forma tampa kita – šiluma virsta šviesa. M. Planckas norėjo išsiaiškinti, kodėl keičiant metalo temperatūrą, keičiasi skleidžiamos šviesos spalva. To meto fizikai manė, kad šiluma sužadina atomus ir priverčia skleisti juos skirtingo ilgio šviesos spindulius. Deja, atliekamų eksperimentų rezultatai rodė, kad šis teiginys nėra teisingas.

1900 m. M. Planckas padarė prielaidą, kad šviesa iš kaitinamo kūno yra spinduliuojama nedalomomis porcijomis, kurias jis pavadino kvantais. Šių kvantų energija priklauso nuo spinduliavimo dažnio. Kitaip tariant, raudonuosius spindulius nešantis kvantas turi mažiau energijos nei mėlyna šviesos porcija. Išsprendęs vieną problemą, mokslininkas susidūrė su kita, ne mažiau sudėtinga. M. Planckas suteikė šviesai dalelės savybių, tuo tarpu visi XIX a. eksperimentai akivaizdžiai rodė, kad šviesą sudaro elektromagnetiniam spektrui priklausančios bangos.

1902 m. vokiečių fizikas Philippas Lenardas pradėjo tyrinėti fotoelektrinį efektą. Savo bandymams jis naudojo į vakuumą patalpintą elektrodą. Tai, kad šviesa leidžia iš metalo plokštės išlaisvinti elektronus, jau nebuvo naujiena. Tačiau mokslininkas ėmė matuoti išsilaisvinusių elektronų energiją ir nustebo pamatęs, kad ji priklauso ne nuo šviesos intensyvumo, o spalvos. Kitaip tariant, nuo bangos ilgio ir dažnio. Keičiant šviesos stiprumą keičiasi tik išsilaisvinančių elektronų kiekis. Tuo tarpu keičiant spalvą kinta greitis, kuriuo elektronai palieka apšviestą metalą. Kaip ir M. Plancko teorija, P. Lenardo įžvalga prieštaravo tradiciniam šviesos, kaip bangos, supratimui.

Albertas Einsteinas
Albertas Einsteinas
© Vida Press

Konfliktas tarp senosios ir naujosios fizikos mokyklos negalėjo tęstis amžinai. Žmogumi, sugebėjusiu jas sutaikyti tapo niekam nežinomas patentų biuro tarnautojas Albertas Einsteinas. Apibendrinęs M. Plancko ir P. Lenardo tyrimus, 1905 m. A. Einsteinas pasiūlė sprendimą: vieną elektroną iš metalo plokštės gali išlaisvinti vienas šviesos kvantas, kurį sudaro baigtinė tam tikro dažnio ir ilgio banga. Tokias šviesos bangų porcijas Einsteinas pavadino fotonais. Padidinus šviesos stiprumą, keičiasi elektronus galinčių išlaisvinti fotonų kiekis. Tačiau kiekvieno fotono energija priklauso tik nuo jo dažnio ir bangos ilgio. Štai kodėl skirtingos spalvos spindulius skleidžianti šviesa perduoda elektronams skirtingą energiją. A. Einsteinas tvirtino, kad šviesa pasižymi tiek bangų, tiek dalelių savybėmis. 1914 m. šio mokslininko prielaidų teisingumą įrodė Robertas Andrew Millikanas, kuris išmoko tiksliai pamatuoti šviesos išlaisvinamų elektronų krūvius:

A. Einsteino atradimas netrukus iškėlė naują klausimą. Jeigu bangos gali elgtis kaip dalelės, tai kodėl dalelės negali elgtis kaip bangos? 1924 m. šią idėją savo daktaro disertacijoje iškėlė Louisas de Broglie. Jis tikino, kad A. Einsteino pastebėtas šviesos dvilypumas yra absoliučiai universalus reiškinys. Šis teiginys puikiai derėjo su garsiąja Einsteino formule: E=mC2, kuri skelbia, kad masė ir energija yra dvi to paties reiškinio formos.

Fotoelektrinio efekto tyrimai nukreipė fizikos mokslo raidą nauju keliu ir sulaukė visuotinio pripažinimo. Tad nenuostabu, kad ši tyrimų sritis atnešė dosnų Nobelio premijų derlių. Jomis buvo apdovanoti: Maksas Planckas (1918 m.), Albertas Einsteinas (1921 m.), Robertas Andrew Millikanas (1923 m.), Louisas de Broglie (1929 m.).

Anksčiausiai iš visų reiškinio tyrinėtojų Nobelio premija buvo apdovanotas Philippas Lenardas (1905), kuris buvo įvertintas už nuopelnus katodinių spindulių tyrimuose. Tačiau jo indėlį mokslui aptemdė aktyvus dalyvavimas Vokietijos nacistiniame judėjime. Hitlerio valdymo laikais P. Lenardas viešai propagavo „vokišką fiziką“ ir mėgo ją priešpastatyti „žydų mokslui“. Aukštindamas savosios nacijos pasiekimus, jis bandė sumenkinti kitataučių mokslininkų, pavyzdžiui, Marijos Curie ir A. Einsteino darbus, o reliatyvumo teoriją laikė apgavyste.

Fotoelektrinis efektas, kurio principus mokslininkai bandė išsiaiškinti beveik visą šimtmetį, netrukus buvo panaudotas pirmosiose televizijos sistemose. Tačiau vaizdo kameros buvo ne tik netobulos, bet ir labai didelės. Inžinieriams teko gerokai palaukti, kol atsiras pirmieji tranzistoriai, o vėliau ir dar pažangesnės puslaidininkinės technologijos, suteikusios galimybę sumažinti vaizdo kameros „akį“ pradžioje iki kelių centimetrų, o šiais laikais – net iki kelių milimetrų dydžio mikroschemos.

Technologiją, leidusią sukurti pirmąjį šviesai jautrų jutiklį (matricą), sugalvojo du „Bell Labs“ inžinieriai Willardas Sterlingas Boyle'as ir George'as Elwoodas Smithas. Jie išrado krūvio sąsajos įtaisą (angl. „Charge-Coupled Device“ arba CCD), skirtą nuskaityti skirtinguose matricos taškuose atsirandantį analoginį signalą, perstumiant jį iš vienos celės į kitą. Fotoaparato ar vaizdo kameros atveju signalą generuoja šviesos spinduliai. Skirtingose tinklelio vietose užfiksuotas elektros krūvis nuosekliai slenka viena kryptimi, generuodamas elektros impulsų seką, kurią galima vėl paversti vaizdu arba išsaugoti kompiuterio atmintyje. W. S. Boyle'o ir G. E. Smitho išradimas per kelis dešimtmečius neatpažįstamai pakeitė pasaulį. Be jo nebūtų galima įsivaizduoti skaitmeninės fotografijos ir televizijos. CCD technologija taip pat naudojama astronomijoje, elektroniniuose mikroskopuose ir medicinoje.

Praėjus keturiems dešimtmečiams dienos, kai pirmoji CCD jutikliu apginkluota vaizdo kamera nukeliavo į Mėnulį, 2009 m. W. S. Boyle'as ir G. E. Smithas buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už savo indėlį panaudojant puslaidininkius vaizdo atkūrime.


Parašykite savo nuomonę
arba diskutuokite anonimiškai čia
Skelbdami savo nuomonę, Jūs sutinkate su taisyklėmis
Rodyti diskusiją Rodyti diskusiją

Top naujienos

Parlamentaras išdrįso papasakoti nepagražintą gyvenimo istoriją: sadistus vaikų namuose, bado metus ir aplankiusią meilę mokytojai (60)

Mamos jis nematė iki 12 metų, tačiau nežinodamas adreso jai siųsdavo laiškus, auklėtoja vaiką...

Esminių pertvarkų labirinte – tuzinas kelrodžių (17)

Vyriausybės pasiūlyta mokesčių ir pensijų reforma netruko sulaukti kritikos ir aibės...

Klaipėdietis nusivylė brangiausiu Lietuvos „Passatu“ pardavėjai problemą mato kitur (437)

„Man tai buvo pirmas naujo automobilio pirkimas“, – DELFI sako Mindaugas, prieš pusmetį...

Tegyvuoja Karalius: „Celtics“ jų tvirtovėje nukovęs Jamesas finale žais aštuntą kartą iš eilės (15)

NBA Rytų konferencijos finalai nuo 2011-ųjų metų turi vieną ir tą patį nesikeičiantį...

Rusai pučiasi: mes laimime antrąjį Šaltąjį karą, o JAV laukia žlugimas (1176)

Sovietų sąjunga pralaimėjo Šaltąjį karą prieš Vakarus, o sankcijų spaudžiama Rusija laimi...

Gyvenimas po sekso skandalo: Monica Lewinsky istorija - jos pačios lūpomis (45)

Visuomenės veikėja ir kovotoja su patyčiomis Monica Lewinsky birželio 7-8 dienomis atvyktsta į...

„MG Baltic“ gynyboje – buvę aukšti prokurorai (178)

Valstybės saugumo departamento informacijoje Seimo Nacionalinio saugumo ir gynybos komitetui...

Jei vengsite kelių produktų, jūsų dantys bus sveikesni ir baltesni

Prevencija – geriausias gražios šypsenos garantas. Šiais laikais yra daug grožio pagalbininkų,...

Pirmojo pasaulinio karo laivų kapinynai vilioja ne tik nardytojus

Šiaurinę Atlanto vandenyno dugno dalį nusėjusios laivų duženos – lyg priešistorinių gyvūnų...

19-metė vilnietė tarptautiniame grožio konkurse pateko į TOP 5 ir laimėjo „Mis Bikini“ titulą (7)

Devyniolikmetė vilnietė šokėja ir modelis Brigita Gaižauskaitė visai neseniai grįžo iš...