اثر فوتو الکتریک !

[∆ MeRzaD ∆]

بنا به نظریه کوانتومی ، امواج به ظاهر پیوسته الکترومغناطیسی ، کوانتیده‌اند و از کوانتومهای گسسته‌ای به نام فوتون تشکیل شده‌اند که هر فوتون دارای انرژی مشخصی است که مقدار آن فقط به فرکانس بستگی دارد.

بر اساس اصل دوبروی ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از “پلانک” ، “آلبرت اینشتین” توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایشی است که توسط “کامپتون” انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون

واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم.

نموداری از تابش الکترون‌ها از یک صفحهٔ فلزی. این امر زمانی رخ می‌دهد که انرژی واردشده توسط فوتون داخل‌شونده بیش از تابع کار ماده باشد.

اثر فوتوالکتریکی

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش فیزیک امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترون های شتابدار از صفحه فلزی منتشر می شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، انرژی زیادی دریافت می کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می کنند و به سمت آند پیش می روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده، اثر فوتو الکتریک می گویند. در واقع تمام مواد ( جامد، مایع و گاز ) می توانند در شرایط خاصی تحت تاثیر اثر فوتوالکتریک، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی، فوتوالکترون نیز می گویند.

اثر فوتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، اثری از فوتو الکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می دهد، یعنی گیسل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی کند.
این بن بستی بود برای دانشمندان در مورد خاصیت نور. تا اینکه اینشتین با ارائه نظریه خود در مورد فوتون، توانست این معما را حل کند. وی فرض کرد که انرژی در تمام فرکانس های موج به طور یکنواخت و یکسان توزیع نشده اند و بلکه فیزیک امواج به صورت بسته هایی از انرژی به نام کوانتم هستند، که بعداً فوتون نامیده شد. انرژی فوتون ها با فرکانس امواج رابطه مستقم دارد. که این معادله به معادله پلانک نیز مشهور است. در این معادله h ثابت پلانک است.

در اثر فوتوالکتریک الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، با دریافت انرژی موج از صفحه فلزی جدا می شوند، اما در لحظه جدا شدن الکترون های مقداری از انرژی خود را برای غلبه بر نیروی جاذبه الکتروستاتیکی، مصرف می می کنند که انیشتین آن را تابع کار فلز نامید و مقدار آن برای هر فلز، منحصر بفرد است. مقدار تابع کار هر فلز از از ۱ تا ۱۰ الکترون ولت متغیر است.
ارائه فرض وجود فوتون ها توسط اینشتین در واقع دومین گام مهم در شکل گیری نظریه کوانتومی محسوب می شد ( گام اول را ماکس پلانک با فرض کوانتیده بودن مقدار انرژی در فرایند گسیل و جذب تابش الکترومغناطیس بر داشته بو. ) به مناسبت این کشف بزرگ و توضیح موفیت آمیز اثر فوتوالکتریک، جایزه نوبل سال ۱۹۲۱ به اینشتین اهدا شد. در واقع سال ۱۹۰۵ را می توان سال طلایی اینشتین نامید چرا که در این سال او نه تنها نظریه نسبیت خاص را ارائه کرد ، بلکه دو معمای بزرگ مطرح در فیزیک را نیز حل کرد، معماهایی که با به چالش کشاندن فیزیک کلاسیک عملا مسیر کشف فیزیک کوانتومی را به روی بشر گشودند.

اینشتین در سال ۱۹۰۵ رابطهٔ زیر را پیشنهاد نمود که اکنون تایید شده‌است:

    hv=W+K
که در آن :

    h ثابت پلانک
    \nu بسامد موج
    Wتابع کار فلز
    K انرژی جنبشی الکترون

    به طور خلاصه می‌توان گفت که اگر نوری از امواج الکترومغناطیسی بر سطحی (بویژه) فلزات بتابد از جسم مقداری الکترون خارج خواهد شد که مقدار الکترون‌ها به شدت نور تابیده شده و انرژی الکترون‌ها به طول موج (انرژی فوتونها) بستگی دارد و اگر انرژی فوتون از حد آستانه پایین‌تر بیاید دیگر الکترونی بیرون نخواهد رفت بررسی این مسئله با فیزیک کلاسیک غیرممکن استو به کمترین فرکانسی که اثر فیک روی می‌دهد (الکترون از سطح فلز جدا شود) را فرکانس قطع می‌گویند.