فوتوالكتريك، پديده‌اي است كه در آن، ذرات باردار الكتريكي با جذب امواج الكترومغناطيس از سطح ماده تابش مي‌شوند. اغلب اين اثر به عنوان گسيل الكترون از سطح فلز هنگامي كه نور بر روي آن مي‌تابد تعريف شده است . در تعريف گسترده‌تر، انرژی تابشی ممکن است نور مادون قرمز، مرئی، ماوراء بنفش، اشعه ایکس یا اشعه گاما باشد و مواد ممکن است جامد، مایع یا گاز بوده و و ذرات گسيل شده ممکن است یون (اتمهای باردار الکتریکی یا مولکول ) و همچنین الکترون باشد.

در سال 1887 هانریش هرتز در حین انجام آزمایشی متوجه شد که تاباندن نور با طول موج‌های کوتاه مانند امواج فرابنفش به کلاهک فلزی یک الکتروسکوپ که دارای بار الکتریکی منفی است ، باعث تخلیه الکتریکی الکتروسکوپ می‌شود . وی با انجام آزمایش‌های بعدی نشان داد که تخلیه الکتروسکوپ به خاطر جدا شدن الکترون از سطح کلاهک فلزی آن است . این پدیده را فتوالکتریک می‌نامند . نخستین برخوردها برای توجیه اثر فوتوالکتریک از دیدگاه الکترومغناطیس کلاسیک صورت گرفت که توانایی توجیه آن را نداشت . سپس انیشتین این پدیده را با توجه به دیدگاه کوانتومی پلانک توجیه کرد.

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. همان گونه كه گفته شد، در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی (فوتوالکترون) از خود گسیل کنند.

 

 

اگر بین این دو الکترود ، اختلاف پتانسیل برقرار شود ، هیچ جریانی در مدار برقرار نمی‌شود ، حتی اگر ولتاژ خیلی بالا باشد . ولی اگر نور تکفام با بسامد مناسب بر الکترود A به تابانیم ، جریان در مدار برقرار می‌شود و افزایش ولتاژ باعث افزایش شدت جریان در مدار خواهد شد . این موضوع نشان می‌دهد که نور تابیده روی الکترود A باعث کنده شدن الکترون از آن می‌شود و ولتاژ بین دو الکترود نیز ( با ایجاد میدان الکتریکی ) الکترون‌های آزاد شده را از کنار الکترود A به الکترود B می‌رساند و جریان در مدار برقرار می‌شود . طبق آزمایش وقتی نور با بسامد مناسب به الکترود A بتابد در مدار جریان برقرار می‌شود بدون آنکه نیاز باشد اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود برقرار گردد . با افزایش ولتاژ شدت جریان نیز افزایش می‌یابد .

 

انتظارات کلاسیکی:

● میدان الکتریکی نور(E) بر الکترون نیروی F=-eE وارد میکند. چنانچه شدت نور افزایش یابد، نیرو افزایش می‌یابد

● مادامی که E بقدر کافی بزرگ هست، در هر فرکانسی(ν) از نور، الکترون باید گسیل شود.

● برای شدت‌های کوچک نور(E) ، بین تابش نور و خروج الکترون یک درنگ زمانی انتظار داریم. یعنی الکترون وقتی فلز را ترک می‌کند که انر‍ژی لازم را کسب کرده باشد.



نارسایی الکترومغناطیس کلاسیک در توجیه اثر فوتوالکتریک :

پس از کشف پدیده فوتوالکتریک توسط هرتز ، وقتی که فیزیکدانان به تکرار این آزمایش پرداختند ، با کمال تعجب متوجه شدند که شدت نور ، تاثیری بر انرژی الکترون‌های صادر شده ندارد . اما تغییر طول موج نور ، بر انرژی الکترون‌ها موثر است ، مثلا سرعتی که الکترون‌ها بر اثر نور آبی بدست می‌آورند ، بیشتر از سرعتی است که بر اثر تابش نور زرد به دست می‌آورند .

همچنین تعداد الکترون‌هایی که در نور آبی با شدت کمتر از سطح فلز جدا می‌شوند ، کمتر از تعداد الکترون‌هایی است که بر اثر نور زرد شدید صادر می‌شوند ، اما باز هم سرعت الکترون‌هایی که بر اثر نور آبی صادر می‌شوند ، بیشتر از سرعت الکترون‌هایی است که توسط نور زرد صادر می‌شوند . علاوه بر آن نور قرمز ، هر قدر هم که شدید باشد ، نمی‌تواند از سطح بعضی از فلزات الکترون جدا کند .

الکترونهای ظرفیت در داخل فلز آزادی حرکت دارند ، اما به فلز مقید هستند . برای جدا کردن آنها از سطح فلز بایستی انرژی به اندازه‌ای باشد که بتواند بر انرژی بستگی چیره شود ، در صورتی که این انرژی کمتر از مقدار لازم باشد ، نمی‌تواند الکترون را از سطح فلز جدا کند . طبق نظریه الکترومغناطیس کلاسیک ، انرژی الکترومغناطیسی کمیتی پیوسته است ، لذا هر تابشی می‌بایست در الکترون ذخیره و با انرژی قدیمی که الکترون داشت ، جمع می‌شد تا زمانی که انرژی مورد نیاز تامین گردد و الکترون از سطح فلز جدا شود . از طرف دیگر چون مقدار انرژی مقید الکترون‌های داخل فلز ، برابر هستند اگر انرژی لازم برای جدا شدن آنها به اندازه کافی می‌رسید ، می بایست با جدا شدن یک الکترون از سطح فلز ، تعداد زیادی الکترون آزاد شود .

همچنین با توجه به اینکه انرژی کمیتی پیوسته است ، میبایست انرژی تابشی بین الکترون‌های آزاد ، توزیع می‌شد تا هنگامی که انرژی همه الکترونها به میزان لازم نمی‌رسید ، نمی‌بایست انتظار جدا شدن الکترونی را داشته باشیم ، به عبارت دیگر نمی‌بایست به محض تابش ، شاهد جدا شدن الکترون از سطح فلز بود.

توجیه کوانتومی پدیده فوتوالکتریک توسط انیشتین :

انیشتین در سال 1905 با استفاده از نظریه کوانتومی انرژی ، پدیده فوتوالکتریک را توضیح داد . بنابر نظریه کوانتومی ، امواج الکترومغناطیسی که به ظاهر پیوسته‌اند ، کوانتومی می‌باشند . این کوانتوم‌های انرژی را که فوتون می‌نامند ، از رابطه پلانک تبعیت می‌کنند . بنابر نظریه کوانتومی پلانک ، یک باریکه نور با بسامد ν شامل تعدادی فوتون های ذره گونه است که هر یک دارای انرژی E=hν می‌باشد . یک فوتون تنها می‌تواند با یک الکترون در سطح فلز برهمکنش کند . این فوتون نمی‌تواند انرژی خود را بین چندین الکترون تقسیم کند . چون فوتون‌ها با سرعت نور حرکت می‌کنند ، بر اساس نظریه نسبیت ، باید دارای جرم حالت سکون صفر باشند و تمام انرژی آنها جنبشی است . هنگامی که ذره‌ای با جرم حالت سکون صفر از حرکت باز می‌ماند ، موجودیت آن از بین می‌رود و تنها زمانی وجود دارد که با سرعت نور حرکت کند و از این رو وقتی فوتونی با یک الکترون مقید در سطح فلز برخورد می‌کند و پس از آن دیگر با سرعت منحصر به فرد نور C حرکت نمی‌کند ، تمام انرژی hν خود را به الکترونی که با آن برخورد کرده است می‌دهد و اگر انرژی که الکترون مقید از فوتون می‌گیرد ، از انرژی بستگی به سطح فلز بیشتر باشد ، زیادی انرژی به صورت انرژی جنبشی فوتوالکترون در می‌آید . اگر فرض کنیم انرژی بستگی الکترون بر سطح فلز W باشد که این مقدار برابر باشد با انرژی W=hν ، آنگاه یک فوتون با انرژی hν زمانی میتواند الکترون را از سطح فلز جدا کند که :

hν≥W=hν₀

چنانچه انرژی فوتون فرودی بیشتر از انرژی بستگی الکترون باشد ، مابقی انرژی به صورت انرژی جنبشی الکترون ظاهر می شود و خواهیم داشت .

و

hν=1/2m₀v²+hν₀

که در آن Ee=1/2m₀v² انرژی جنبشی الکترون ، پس از جدا شدن از سطح فلز است . به همین دلیل اگر انرژی نور تابشی کمتر از انرژی بستگی الکترون باشد ، با هر شدتی که بر سطح فلز بتابد ، پدیده فوتوالکتریک روی نمیدهد . علاوه بر آن به محض رسیدن فوتون با انرژی کافی بر سطح فلز ، گسیل فتوالکتریک بی‌درنگ اتفاق می‌افتد .

هر چند در اینجا بحث در مورد اثر تابش بر سطح فلز بود ، اما این اثر به فلزات محدود نمی‌شود . به طور کلی هر گاه فوتونی با انرژی کافی به الکترون مقید برخورد کند ، الکترون را از اتم جدا می‌کند و اتم یونیزه می‌شود . با توجیه انیشتین شدت موج الکترومغناطیسی در نظریه مکانیک کوانتوم مفهوم جدیدی پیدا کرد . در مکانیک کوانتوم شدت موج تکفام الکترومغناطیسی برابر است با حاصلضرب انرژی هر فوتون در تعداد فوتون‌هایی که در واحد زمان از واحد سطح عبور می‌کنند


لذا توصیف اینشتین برای رفع ایراد های نظریات کلاسیکی به صورت زیر بود:


رفع ایراد اول:عدم وابستگیK_max به شدت تابش

رفع ایراد دوم: وجود فرکانس‌ آستانه

رفع ایراد سوم: عدم وجود درنگ زمانی

نتیجه گیری:

● هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.

● بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فوتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.

نوشته شده توسط حسن اتحاد مهرآباد  | لینک ثابت |

درباره وبلاگ

شندستم‌كه‌هر کوکب‌جهانیست
جــــداگانه زمیـن و آسمانیست
جــهــان در زیـر ایـن افلاک مینـا
چــوخشخاشی بود بر روی دریا
تو خود بنگر که از خشخاش چندی
سزد تا بـر غــرور خود بخنــــدی
        * * * * * * *
این رسانه کمک آموزشی یک وبلاگ شخصی است و هیچ ارتباط اداری با گروه آموزشی فیزیک منطقه عجبشیر ندارد .
هدف از راه اندازی آن ایجاد ارتباط و تعامل بیشتر با همکاران محترم و دانش آموزان عزیز و دوستان ارجمند است . جهت افزايش كيفيت و محتواي علمي وبلاگ هر لحظه در انتظار نوشته ها و راهنمایی های شما عزيزان صاحب نظر هستم .
جهت بارگذاری سریع  مطالب از تزیینات وبلاگ صرف نظر شده است.
ما ادعا نمی کنیم که بهترینیم اما بسیارخرسندیم که بهترین ها ما را برگزیده اند از اینکه از این فضای مجازی بازدید می فرمایید بسیار خوشحالیم.

منوی اصلی

پیوندهای وبلاگ

آرشیو مطالب

آرشیو موضوعی

پیوندها