‫מיכאל פרסמן‬ ‫‪115311413‬‬ ‫האפקט הפוטואלקטרי‬ ‫באמצעים לראיית לילה‬ ‫פיסיקה ‪3‬‬ ‫סמסטר חורף תשע"ב‬ ‫הקדמה‬ ‫הראייה היא אחד מחמשת החושים הבסיסיים של האדם‪,‬‬ ‫ויש שיגידו החשוב מביניהם‪ .‬הראייה מאפשרת לנו להתמצא‬ ‫במרחב ולנתח את הקיים בו לשימוש יומיומי‪ .‬ראיית האדם‬ ‫מבוססת על קליטת אור נראה (קרינה אלקטרומגנטית בטווח‬ ‫אורך‪-‬גל של ‪ 444-744‬ננומטר ותדירות בטווח ‪428-714‬‬ ‫טרה‪-‬הרץ) דרך העיניים‪ .‬האור מגיע ממקורות טבעיים‬ ‫(שמש‪ ,‬כוכבים)‪ ,‬מלאכותיים (נורות) או גורמים המחזירים‬ ‫אותו (ירח) ומפוזר לכל עבר לאחר פגיעתו בחפצים שונים‪ .‬בעת פגיעת‬ ‫אור במשטח‪ ,‬חלק מהקרינה (באורכי גל) נבלעת וחלקה מתפזר‬ ‫למרחב‪ .‬הקרינה אשר נקלטת בעין מתפרשת כצבע של אותו משטח‬ ‫(זהו ערבוב של אורכי גל מסוימים)‪ .‬המידע המתקבל מתורגם לאותות‬ ‫חשמליים אשר נשלחים למוח (דרך מע' העצבים) אשר מפרש את‬ ‫המידע המתקבל ונותן לו משמעות בתפיסה האנושית‪ .‬כל "תקלה" בתהליך זה עלולה לגרום‬ ‫לעיוורון – חוסר היכולת לראות‪.‬‬ ‫לפיכך‪ ,‬וכמו שאנו מכירים מחיי היומיום‪ ,‬יכולת הראייה שלנו נפגעת ברגע שכמות האור‬ ‫מצטמצמת ובחושך מוחלט‪ ,‬כאשר אור אינו מגיע אל עינינו‪ ,‬איננו מסוגלים לראות דבר‪ ,‬חוש‬ ‫הראייה שלנו חסר תועלת ועלינו להסתמך על שאר החושים שלנו‪ ,‬אשר לא יכולים לפצות בצורה‬ ‫מלאה על אובדן המידע החזותי‪ .‬על כן‪ ,‬הלילה מאז ומעולם שימש את האדם ורוב בעלי החיים‬ ‫לשינה עד עלייתו של השחר‪ ,‬עקב חוסר האפשרות לתפקד בשעות אלו‪.‬‬ ‫משחר ההיסטוריה בני האדם התמודדו עם בעיה זו כאשר הגיע הלילה או נאלצו להיכנס‬ ‫למקומות אליהם אור לא מגיע‪ ,‬כמו מערות‪ ,‬למשל‪ .‬הפתרון לרוב היה הפקת אור בצורה כזו או‬ ‫אחרת – מגילוי האש ושימוש בלפידים ועד מנורות ופנסים‪ .‬החיסרון העיקרי בשיטה זו הוא‬ ‫שהאור המופק נראה למרחקים ועל כן אינו מתאים למצבים בהם המשתמש רוצה להישאר‬ ‫חשאי‪ .‬על מנת לספק צורך זה הומצאו האמצעים לראיית לילה (אמר"ל או ‪.)NVD‬‬ ‫יש לציין שבעולם החי ישנם בעלי‪-‬חיים אשר ראיית לילה היא תכונה טבעית אשר הכרחית לאופי‬ ‫חייהם הלילי‪ .‬אורח חיים זה התפתח כמנגנון הישרדות מפני טורפים אשר פעילים בעיקר ביום‬ ‫ומצד שני ישנם גם טורפים אשר פעילים בעיקר בלילה כי טרפם פעיל רק בשעות אלו‪ .‬ראיית‬ ‫הלילה הטובה יותר מתבטאת במגוון דרכים‪ ,‬ממנגנונים פיזיים לקליטת כמות אור גדולה יותר‬ ‫ועד קליטת קרינה בתחומים מעבר לאור הנראה‪ ,‬למשל קליטת קרינת חום בתחום האינפרה‪-‬‬ ‫אדום‪.‬‬ ‫האפקט הפוטואלקטרי‬ ‫האפקט הפוטואלקטרי הוא תופעה פיסיקלית בה קרינה אלקטרומגנטית פוגעת במתכת‪ ,‬נבלעת‬ ‫בה וגורמת לפליטת אלקטרונים ממנה‪ .‬התופעה התגלתה לראשונה ע"י היינריך הרץ‬ ‫(‪ )1857-1894‬ב‪ .1887‬במשך השנים נחקרו תכונות התופעה ונתגלו הדברים הבאים‪:‬‬ ‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬ ‫האפקט מתרחש רק מעל תדירות (מתחת לאורך גל) קרינה מסוימת ("תדירות סף")‪.‬‬ ‫תדירות הסף משתנה ממתכת למתכת‪.‬‬ ‫עוצמת ההארה משפיעה רק על כמות האלקטרונים הנפלטים אך לא על עצם פליטתם או‬ ‫מהירות פליטתם‪.‬‬ ‫מהירות פליטתם דווקא כן מושפעת מתדירות הקרינה וסוג המתכת‪.‬‬ ‫רוב העובדות הללו נתגלו ע"י פיליפ לנארד (‪ )1862-1947‬וג'וזף ג'ון תומסון (‪.)1856-1944‬‬ ‫שניהם זכו בפרסי נובל (ב‪ 1945‬ו‪ 1946‬בהתאמה)‪ ,‬אך לא על עבודה זו‪.‬‬ ‫גילויים אלה לא היה ניתן להסביר (או לחשב) בעזרת המודל הגלי של האור ששלט עד אותו זמן‪,‬‬ ‫ובמיוחד את עניין תדירות הסף‪ .‬התפיסה הרווחת הייתה שאם האלקטרונים מקבלים אנרגיה‬ ‫בצורה רציפה‪ ,‬בשלב מסוים הם צריכים לקבל מספיק בשביל להפלט – אך לא כך היה‪.‬‬ ‫את ההסבר המקובל ביותר נתן בסופו של דבר אלברט איינשטיין (‪ )1879-1955‬ב‪ 1945‬תוך‬ ‫פיתוח רעיון של מקס פלנק (‪ )1858-1947‬משנת ‪.1944‬‬ ‫פלנק טען שאור הוא מנות של אנרגיה ("האור מקוונטט") וכמות האנרגיה (‪ )E‬פרופורציונאלית‬ ‫לתדירות (‪ )f‬של אותו גל אור‪ .‬לאותו קבוע פרופורציה הוא קרא "קבוע פלנק"(‪ .)h‬במילים אחרות‪:‬‬ ‫‪E = h∙f‬‬ ‫איינשטיין קרא למנות אלו "פוטונים" וטען שהאינטראקציה ביניהם לבין האלקטרונים היא בדידה‪:‬‬ ‫בעת פגיעת פוטון במתכת‪ ,‬הוא נעלם וכל האנרגיה שלו עוברת לאקטרון בודד‪ .‬אלקטרון ייפלט‬ ‫רק אם אותה אנרגיה תהיה גדולה מזאת שיש להשקיע על מנת להתגבר על המשיכה של‬ ‫המתכת (תכונה אשר איינשטיין קרא לה "פונקציית העבודה" של המתכת (‪ .))W‬על כן‪ ,‬אם‬ ‫אלקטרון אינו נפלט בתדירות אור מסוימת – הוא לא ייפלט בה גם אחרי אינסוף זמן‪ .‬עודף‬ ‫האנרגיה‪ ,‬אם יהיה‪ ,‬יתבטא במהירותו (אנרגיה קינטית) של האלקטרון החופשי‪ .‬ומכאן איינשטיין‬ ‫בעצם קיבל את הנוסחה הידועה‪:‬‬ ‫‪Ek = Eph – W‬‬ ‫‪Ek = h∙f – W‬‬ ‫כעת היה ניתן להסביר את כל תכונות‬ ‫האפקט שנתגלו קודם‪:‬‬ ‫ התדירות משפיעה על אנרגיית‬‫הפוטון הפוגע ועל כן רק‬ ‫מתדירות מסוימת ומעלה‬ ‫מתקבלת מספיק אנרגיה לפליטת אלקטרונים‪.‬‬ ‫ לכל מתכת יש פונקצית עבודה שונה ולכן גם אנרגיית הסף של הפוטון משתנה (ויחד‬‫איתה תדירות הסף)‪.‬‬ ‫ עוצמת ההארה היא בעצם רק כמות הפוטונים הנשלחים ולכן זה משפיע על כמות‬‫האלקטרונים הנפלטים‪.‬‬ ‫ ככל שתדירות האור גבוהה יותר ואנרגיית העבודה נמוכה יותר – כך לאלקטרונים יש‬‫עודף אנרגיה (קינטית) גדול יותר ומהירות פליטתם גדולה יותר‪.‬‬ ‫על הסבר תופעה זו זכה בסופו של דבר איינשטיין בפרס הנובל שלו‪ ,‬ב‪.1921‬‬ ‫את הערך המספרי של קבוע פלנק מדד רוברט מיליקן (‪ )1868-1953‬ב‪ 1916‬ובכך הוכיח את‬ ‫נכונות טענותיו של איינשטיין‪ .‬ניסויו הראה שיש קשר ליניארי בין המתח שיש ליצור על מנת‬ ‫לעצור אלקטרונים הנפלטים משפופרת קתודית ("מתח עצירה") לבין תדירות האור המוקרן עליה‬ ‫וגורם לפליטה זו‪.‬‬ ‫הבנת האפקט תרמה ברמה המדעית להבנת האופי החלקיקי של האור‪ ,‬לגיבוש תורת הקוונטים‬ ‫והתפתחות הפיסיקה המודרנית‪ .‬ברמה המעשית התפתחו טכנולוגיות ומוצרים שונים‬ ‫המשתמשים באפקט למטרות שונות‪ .‬אמצעים אלו ניתן למצוא כיום בכל מקום (החיישן במעלית‬ ‫המונע את סגירת דלתותיה במידה ומישהו עומד ביניהן‪ ,‬לדוג')‪ .‬אחד מהשימושים המוכרים יותר‬ ‫של האפקט הוא כמובן באמצעים לראיית לילה‪.‬‬ ‫השימוש באפקט הפוטואלקטרי בעקרונות הפעולה של אמר"ל‬ ‫האמר"ל מבוססים על שתי שיטות עיקריות‪ :‬הגבר אור ודימות תרמי‪.‬‬ ‫דימות תרמי הוא "תרגום" של קרינת חום הנפלטת מעצמים עקב היותם בעלי טמפרטורה‬ ‫(מתהליכים תרמו דינמיים בגוף האדם)‪ ,‬קרינה בתחום "העליון" של האינפרא‪-‬אדום (נקרא גם‬ ‫‪ Thermal-IR‬ואורך הגל שם נע בין ‪ 3‬ל‪ 34‬מיקרון (‪ ,))μm‬לתמונה בטווח צבעים (בתחום האור‬ ‫הנראה) שצופה יכול להבין‪.‬‬ ‫תהליך דימות תרמי‬ ‫התרגום נעשה בעזרת חיישני ‪ IR‬רגישים שמעבדים את הקרינה המרוכזת הנקלטת דרך עדשה‬ ‫מהמרחב ל"תרמוגרמה" (‪ ,)thermogram‬היא מתורגמת לאותות חשמליים (ע"י מעבד כלשהו)‬ ‫שאח"כ מתורגמים חזרה לתמונה בצבעים בהתאמה לעוצמת הקרינה שנקלטה‪ .‬ככל שגוף חם או‬ ‫קר יותר (פולט פחות קרינת חום) הוא נצבע בהדמייה בצבע קיצוני יותר ולפי מקרא הצופה יכול‬ ‫להבין מהי הטמפ' של אותו אובייקט‪ .‬אנשים כמובן בד"כ חמים יותר מהסביבה שלהם בחושך‬ ‫ולכן קל להבחין בקיומם באמר"ל המבוססים על שיטה זו‪ .‬האמר"ל התרמיים מתחלקים גם הם‬ ‫לשתי קבוצות‪ ,‬לפי הטמפ' בה הם נשמרים – טמפ' חדר או בקירור של ‪ 4‬מעלות צלסיוס‪.‬‬ ‫המאוחרים יותר יקרים יותר אך גם נותנים דיוק טמפ' וטווח מרחק טובים יותר‪ .‬היתרון של‬ ‫הדימות התרמי הוא האפשרות לזהות פעולה שקרתה בעבר; מכונית חונה שנסעה או אדמה‬ ‫שנחפרה לפני זמן מה תהיה "חמה" יותר מאשר סביבתה הטבעית שלא השתנתה לאחרונה‪.‬‬ ‫אף על פי כן‪ ,‬האמר"ל הפופולאריים יותר הם אלה המבוססים על הגבר אור ולמעשה על האפקט‬ ‫הפוטואלקטרי‪.‬‬ ‫תהליך הגברת אור באמר"ל‪.‬‬ ‫בשיטת הגבר האור בד"כ קרינה בתחום האור הנראה וה”כמעט‪ "IR-‬נאספת ע"י עדשה אל תוך‬ ‫"צינור ההגברה" בו קיימת פוטו‪-‬קתודה – אלקטרודה מתכתית טעונה חשמלית אשר מכוסה גם‬ ‫בשכבת חומר רגיש מאוד לאור (מתכת בעלת פונקצית עבודה נמוכה מאוד)‪ .‬כתוצאה מפגיעת‬ ‫הקרינה (זרם של פוטונים) בה – נפלטים אלקטרונים וממשיכים לנוע לכיוון הכללי המקורי שבו‬ ‫נעו הפוטונים‪ ,‬כתוצאה מהאפקט הפוטואלקטרי‪ .‬בהמשך הדרך האלקטרונים עוברים דרך דיסקה‬ ‫מחוררת הנקראת ")‪ ."the microchannel plate (MCP‬בשני צידיה של הדיסקה ישנן אלקטרודות‬ ‫וביניהן פועל שדה חשמלי בעוצמה של כ‪ 5444‬וולט‪ .‬כתוצאה מקיום השדה‪ ,‬האלקטרונים‬ ‫מואצים דרך החרירים (שאורכם גדול משמעותית יחסית לקוטרם)‪ .‬בעת המעבר בחרירים‬ ‫האלקטרונים פוגעים בדפנותיהם ובזכות האנרגטיות שלהם גורמים לפליטה של עוד אלקטרונים‬ ‫מהמתכת עצמה‪ .‬גם האלקטרונים החדשים מואצים ונתקלים בדפנות וכך נוצרת תגובת שרשרת‬ ‫שבסופה יוצאים הרבה יותר אלקטרונים מהדיסקה מאשר נכנסו אליה בהתחלה‪ .‬האלקטרונים‬ ‫ממשיכים לנוע בכיוון הכללי ובסופו של דבר פוגעים במסך מצופה זרחן (‪.)Phosphorus‬‬ ‫האלקטרונים האנרגטיים גורמים לערעור אלקטרונים באטומי הזרחן שכאשר חוזרים לרמתם‬ ‫המקורי – נפלט פוטון בתחום הירוק של האור הנראה – צבע שעם השנים נהיה מזוהה במיוחד‬ ‫עם ראיית לילה ולא לשווא‪ .‬אותו אוסף פוטונים הנפלט לבסוף יוצר למעשה תמונה המוקרנת אל‬ ‫העיניים דרך עוד עדשה בקצה השני הנקראת עינית‪ .‬התמונה המתקבלת מקבילה לתמונה‬ ‫המקורית עקב המסלול הישר שהאלקטרונים נאלצים לעשות בתוך "צינור ההגבר" על מנת‬ ‫להגיע לצד השני‪ .‬את התמונה ניתן גם לתרגם לאותות חשמליים ולאחר מכן לעבד מחדש‬ ‫להקרנה על מסך‪.‬‬ ‫*האפקט הפוטואלקטרי עוסק בפליטת אלקטרונים מהארת מתכת בקרינה – על כן בתהליך הנ"ל‬ ‫יש רק שימוש אחד באפקט‪ .‬בתהליך ערעור הזרחן והתרבות האלקטרונים מתקיימות תופעות‬ ‫הקשורות לאפקט‪ ,‬כמו קליטה (מהתנגשות אלקטרונים) ופליטה (פוטונים) של אנרגיה‪ .‬ההבדל‬ ‫הוא שאלקטרונים למשל לא חייבים להיות בעלי אנרגיה מדויקת על מנת לערער אלקטרונים –‬ ‫עודף האנרגיה הוא פשוט אנרגיה קינטית נמוכה יותר של האלקטרון הפוגע (וזה בניגוד‬ ‫להעלמות הפוטון לאחר פגיעתו באלקטרון וערעורו)‪.‬‬ ‫דורות של אמר"ל‬ ‫את האמר"ל המגבירים אור ניתן לחלק ל‪ 5‬דורות‪ ,‬לפי ההתפתחות הטכנולוגית בהם‪.‬‬ ‫דור ‪ – 4‬שימוש בקרן אינפרא אדום אקטיבית אשר מאירה על מטרה ומגבירה את הקרינה‬ ‫החוזרת ממנה‪ ,‬האצת בלבד של פוטונים המגיעים דרך צינור ההגבר בעזרת שדה‬ ‫חשמלי בין אנודה לקתודה‪.‬‬ ‫דור ‪ – 1‬מעבר לקליטה פסיבית של קרינה טבעית (מכוכבים וירח) המוחזרת ע"י המטרה אל‬ ‫העדשה‪ .‬כעת קשה לאתר את הצופה (הקרן האקטיבית מדור ‪ 4‬ניתנת לגילוי אם לצד‬ ‫השני אותה הטכנולוגיה)‪.‬‬ ‫דור ‪ – 2‬הוספת ה‪ .MCP‬התמונה מתחדדת ונעשית בהירה יותר‪ ,‬גם בתנאי מזג‪-‬אוויר קשים‪.‬‬ ‫אורך החיים של המכשירים גדל משמעותית (שחיקה מופחתת של האלמנטים‬ ‫מאלקטרונים "חופשיים מדי" שפוגעים בהם)‬ ‫דור ‪ – 3‬הנפוץ בשימוש כיום‪ .‬שיפור ברזולוציה‪ ,‬ברגישות ובאורך החיים עקב שימוש בחומרים‬ ‫רגישים (לאפקט הפוטואלקטרי) ועמידים יותר‪.‬‬ ‫דור ‪ – 4‬נטרול אפקט "העיוורון" הזמני במעבר מזירה בהירה לחשוכה ולהפך‪.‬‬ ‫שימוש באמר"ל‬ ‫עקרון הפעולה של האמר"ל אינו משתנה כמעט ביישומים השונים שלו‪ :‬כוונות רובים‪ ,‬משקפות‬ ‫לילה‪ ,‬בהקרנה למסכים מסוג כזה או אחר‪ ,‬במצלמות אבטחה ועוד‪ .‬את האמר"ל נוכל למצוא‬ ‫בד"כ בשימוש בגופים כמו הצבא או המשטרה‪ ,‬ובפעילויות כמו ציד‪ ,‬מעקב אחרי בעלי‪-‬חיים‪,‬‬ ‫ריגול‪ ,‬אבטחה‪ ,‬ניווט‪ ,‬איתור חפצים נסתרים ובידור‪.‬‬ ‫האמר"ל הממוצעים כה יעילים עד שהם מאפשרים לנו לראות בלילה לא מעונן וללא ירח אדם‬ ‫ממרחק של כמעט ‪ 244‬מטרים! הדימות התרמי הקר מאפשר עד ‪ 1444‬ומבדיל בין הפרש‬ ‫טמפרטורות של ‪ 1/10‬המעלה (בצלסיוס)‪.‬‬ ‫מקורות‬ ‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_radiation‬‬ ‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Color‬‬ ‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Visual_perception‬‬ ‫‪http://electronics.howstuffworks.com/gadgets/high-tech-gadgets/nightvision.htm‬‬ ‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect‬‬ ‫‪http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod1.html‬‬ ‫‪http://www.privacysos.org/technologies_of_control/night_vision‬‬