فوتون‌ها، الکترون‌ها و اتم‌ها – قسمت دوم

اثر فوتوالکتریک – قسمت اول

ظاهراً فهم اثر فوتوالکتریک ساده است. نور به عنوان یک موج الکترومغناطیس که به سطح خارجی صفحه‌ی فلزی می‌تابد، بر الکترون‌های اضافی اثر کرده و آنها را به نوسان درمی‌آورد و دامنه‌ی نوسان بر اثر تابش مداوم پرتو تابشی رفته رفته زیادتر شده، لذا انرژی الکترون‌ها از حد لازم برای فائق‌آمدن بر جاذبه‌‍‌ی بارهای مثبت بالاتر می‌رود. این جاذبه عامل پیدایش نوعی سد پتانسیل است که در حالت عادی، الکترون را درون ماده محدود می‌کند.

00این سد را نظیر دیواره‌ای فرض کنید که که سطح صاف خیابان را از پیاده‌رو جدا کرده و حرکت توپ فوتبالی را که به آرامی بر سطح خیابان در حرکت است، در گستره‌ی سطح خیابان محدود می‌کند. اما وقتی حرکت توپ به قدر کافی تند باشد، امکان پرش توپ از روی دیواره به پیاده‌رو، در ازای کاهش تندی و انجام کار بر روی نیروی گرانش (کاهش انرژی جنبشی و افزایش انرژی پتانسیل گرانشی، به همان اندازه) وجود دارد. اثر فوتوالکتریک را هاینریش هرتز، اولین بار و به صورت تصادفی، در سال‌های ۱۸۸۶ و ۱۸۸۷ مشاهده کرد.

هاینریش هرتز

هاینریش هرتز

این ایده ذاتاً انقلابی نبود. در آن زمان، وجود سد پتانسیل سطحی، شناخته شده بود. توماس ادیسون در ۱۸۸۳ پدیده‌‌ی گسیل گرمایونی را کشف کرده بود. با این روش، انرژی لازم برای فرار، با بالابردن دمای فلز به مقیاس زیاد فراهم می‌شود. آزاد شدن الکترون‌ها، مشابه فرایند جوشیدن و تبخیر مایعات روی شعله است. مینیمم انرژی لازم برای فرار یک الکترون از یک سطح معین را تابع کار آن سطح می‌نامند و با حرف یونانی فی (φ) نشان می‌دهند (در بعضی منابع به جای حرف فی از حرف W استفاده می‌شود).

اما سطح آزمایش هرتز، تا حد لازم برای بروز پدیده‌ی گسیل‌ گرمایونی، گرم نبود. وی ضمن آزمایش‌هایی که در مورد امواج الکترومغناطیس انجام می‌داد، متوجه شد که وقتی نور فرابنفش بر یکی از الکترودها می‌تابد، تخلیه‌ی الکتریکی بهتر به وقوع می‌پیوندد و دو جرقه‌ها راحت‌تر بین گلوله‌های فرستنده‌ی موج ایجاد می‌شوند و وقتی‌که همین نور به صفحه‌های فلزی که بار منفی دارند بتابد، این صفحه‌ها بار منفی خود را از دست می‌دهند و الکترون از سطح، آسان‌تر کنده می‌شود. این آزمایش را می‌توان به روشی که در شکل زیر نشان داده شده است، انجام داد:

01طبق قسمت الف شکل، اگر پرتوهای تابشی از یک قوس الکتریک که به وسیله‌ی یک عدسی از جنس کوارتز بر صفحه‌ی فلزی یک الکتروسکوپ، از جنس روی که دارای بار منفی است، متمرکز کنیم، الکتروسکوپ خالی‌شدن بار منفی فلزی را نشان می‌دهد. با قرار دادن یک مانع شیشه‌ای (شیشه پرتوهای فرابنفش را از خود عبور نمی‌دهد) آزمایش را تکرار می‌کنیم. می‌بینیم که صفحه روی بارهای خود را از دست نمی‌دهد. اگر به جای بار منفی، به صفحه بار مثبت بدهیم، باز هم تابش اشعه باعث کم‌شدن بار آن نمی‌شود.

این آزمایش با صفحات فلزی مختلف تکرار شد و معلوم شد که همه‌ی فلزات دارای این خاصیت هستند. در مورد بعضی عناصر همچون باریم، سزیم، لیتیوم و پتاسیم، سدیم و روبیدیوم، نور مرئی نیز می‌تواند الکترون‌های اضافی را از سطح فلز بکند. به بیرون‌اندازی الکترون‌ها از یک سطح در اثر تابش نور به اثر فوتوالکتریک موسوم است. زیرا در این عمل نور و الکتریسیته دخالت دارند. الکترون‌های کنده‌ شده از سطح را فوتو‌الکترون می‌نامند.

02

اما آیا پرتوهای تابشی با هر بسامدی می‌توانند این اثر را به وجود بیاورند؟ هرتس تکرار آزمایش دریافت که نور بسیار شدید سرخ، نمی‌تواند الکترون‌ها را از صفحه‌ی فلزی خارج کند، اما نور ضعیف آبی یا بنفش به آسانی الکترون‌ها را از سطح می‌کند. تکرار آزمایش و به کاربردن صفحه‌های مختلف نشان داده شده است که برای هر جسمی، بسامد پرتوهای تابشی نباید از حد معینی کمتر باشد. این بسامد   کمتر از لحاظ فیزیک کلاسیک قابل توجیه نبود. گذشته از این محاسبه‌ی مقدار انرژی و تکانه‌ی خطی موجود در هر جبهه‌ی موج الکترومغناطیسی تابشی برای بسامدهایی که این پدیده را به وجود می‌آورند، نشان می‌دهد که انرژی جنبشی الکترون آزاد شده، خیلی بیشتر از انرژی دریافتی از جبه‌ی موج تابشی است.

KpaeSالکترون‌ها با فلز پیوند ضعیفی دارند و به آسانی می‌توانند در فلز حرکت کنند (رسانندگی) و به سهولت به ورای مرزهای آن بروند. یون‌های مثبت شبکه‌ی بلوری فلز را می‌سازند به طوری که بیرون راندن آن‌ها به منزله‌ی تصعید فلز است. اگر فلز بار خالص منفی داشته باشد، الکترون آزاد شده بر اثر میدان الکتریکی حاصل از فلز باردار، از فلز خارج می‌شود. در مورد بار مثبت خالص در فلز، نور میتواند الکترون هایی را که همیشه در فلز حضور دارند نیز آزاد کند، ولی میدان الکتریکی ایجاد شده در اطراف جسم، فرار الکترون‌ها را کند می‌کند و می‌خواهد آنها را به جسم برگرداند. بنابراین اگر انرژی جنبشی الکترون در حال فرار (در واقع سرعت آن) خیلی زیاد نباشد، به رغم اثر نور، الکترون‌ها نمی‌توانند جسم را ترک کنند و بار مثبت جسم بدون تغییر می‌ماند.

اثر فوتوالکتریک را دو فیزیک‌دان آلمانی به نام‌های ویلهلم هال واکس و فیلیپ لِنارد در بین سال‌های ۱۸۸۶ تا ۱۹۰۰ بررسی کردند. نتایج حاصل از این بررسی‌ها کاملاً غیر منتظره بود. در زیر مشابه آزمایش آنها را که با فوتولوله‌های جدید انجام شده است، شرح می‌دهیم. به شکل زیر توجه کنید.

03

دو الکترود رسانا، آند و کاتد، درون یک لوله‌ی شیشه‌ای خلاء قرار دارند. در قسمت الف، یک میدان الکتریکی از آند به کاتد، توسط باتری یا مولد دیگری ایجاد شده است. نور (پیکان‌های افقی بلند) بر روی کاتد افتاده و جریانی را در مدار خارجی، برقرار می‌کند که با گالوانومتر (G) سنجیده می‌شود. هال واکس و لنارد چگونگی تغییرات این فوتوجریان را با ولتاژ، بسامد و شدت نور بررسی کردند.

پس از کشف الکترون در ۱۸۹۷، معلوم شد که نور باعث گسیل الکترون از کاتد می‌شود. چون بار الکتریکی الکترون منفی است، فوتوالکترون‌ها توسط میدان الکتریکی از کاتد به سوی آند رانده می‌شوند. در خلاء بالا و فشار حدود یک صدم پاسکال (یا ده به توان هفت اتمسفر)، احتمال برخورد الکترون‌ها با مولکول‌های گاز، به میزان ناچیزی می‌رسد.

فلیپ لنارد

فلیپ لنارد

هال‌واکس و لنارد دریافتند که اگر نور تکفام بر کاتد بتابد، فقط وقتی فوتوالکترون گسیل می‌شود که بسامد نور، از یک مینیمم (تابع جنس کاتد)، موسوم به «بسامد آستانه»، کمتر نباشد. این مینیمم برای اغلب فلزات، در گستره‌ی فرابنفش (با طول موج یا لاندا بین ۲۰۰ تا ۳۰۰ نانومتر) و برای اکسید‌های پتاسیم و سزیم در گستره‌ی نور مرئی (با طول موج بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر) قرار دارند.

وقتی بسامد (f) بیشتر از بسامد آستانه باشد، تعدادی از الکترون‌ها با تندی اولیه‌‌ای به مراتب زیادتر، از کاتد گسیل می‌شوند. می‌توان این امر را با تعویض جای اتصال به قطب‌های باتری (قسمت ب شکل) مشاهده کرد که در آن نیروی میدان الکتریکی وارد بر الکترون، رو به کاتد است. اگر اندازه‌ی میدان خیلی زیاد نباشد، هنوز الکترون‌های گسیلی که دارای بیشترین انرژی‌اند، به آند رسیده و جریان کمی را برقرار می‌کنند.

می‌توان VAC، پتانسیل آند نسبت به کاتد را آنقدر منفی کرد که جریان متوقف شود و از این راه، ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون‌های گسیل‌شده را به دست آورد. این امر به ازای  -V0  VAC = اتفاق می‌افتد و V0  را پتانسیل ایست یا پتانسیل ترمزی می‌نامند. بر روی هر الکترون (با بار –e) که از کاتد به آند برود و کاهش پتانسیل در مسیر آن برابر V0  باشد، کار منفی -eV0  انجام می‌شود. به ازای پتانسیل ایست، فقط الکترونی که بیشترین انرژی را دارد، از کاتد با انرژی جنبشی بیشینه حرکت کرده و با انرژی صفر به آند می‌رسد.

در واقع اگر بخواهیم به طور ساده‌تر بیان کنیم، طبق شکل زیر یک پوشش شیشه‌ای دستگاه آزمایش را در فضای تخلیه‌ شده از هوا می‌پوشاند. نور تکفام با عبور از پنجره‌ی کوارتزی بر صفحه‌ی فلزی A فرود می‌آید و فوتوالکترون‌ها را آزاد می‌کند. با برقرار کردن یک اختلاف پتانسیل بین A و B، الکترون‌ها را به طرف صفحه‌ی فلزی می‌کشانیم و به این ترتیب آنها را به صورت جریان الکتریکی آشکار می‌کنیم. برای اندازه‌گیری این جریان از آمپرسنج حساس یا گالوانومتر استفاده شده است.

04منحنی جریان فوتوالکتریک در مقابل اختلاف پتانسیل بین دو صفحه در شکل زیر نمایش داده شده است. اگر اختلاف پتانسیل، به قدر کافی زیاد شود، جریان فوتوالکتریک به مقدار حدی (اشباع) می‌رسد که در آن کلیه‌ی فوتوالکترون‌های بیرون‌رانده شده توسط صفحه‌ی B جذب می‌شوند.

05اگر علامت اختلاف پتانسیل را توسط کلید تغییر قطبیت باتری عوض کنیم، جریان فوتوالکتریک بی‌درنگ به صفر افت نمی‌کند و این به دلیل آن است که الکترون‌های رانده شده از سطح دارای انرژی جنبشی هستند و برخی از الکترون‌ها با وجود این‌که میدان الکتریکی با حرکت‌شان مخالفت می‌ورزد، به سطح فلزی B می‌رسند. با این حال اگر این اختلاف پتانیسل معکوس به قدر کافی زیاد شود و به مقدار پتانسیل ایست برسد، در آن جریان فوتوالکتریک به صفر افت می‌کند.

حال اگر انرژی جنبشی فوتوالکترون به هنگام خروج از سطح الکترودA برابر KA وبه هنگام رسیدن به الکترود B برابر KB باشد، بین دو الکترود ولتاژ V برقرار باشد، بنابر قضیه‌ی کار ـ انرژی داریم :

KB – KA = eV = W

که در آن eV کار نیروی وارد بر الکترون از سوی میدان الکتریکی بین الکترودها در تغییر مکان از A به B است. اگر ولتاژ منفی باشد KB کمتر از KA خواهد بود.

اگر این ولتاژ منفی برابر ولتاژ متوقف کننده باشد ( V = – Vo ) ، تنها آن الکترون‌هایی که بیشترین انرژی جنبشی را دارند، می‌توانند تا نزدیکی الکترود B برسند. برای این الکترون‌ها داریم:

KA = Kmax, KB = o

o – Kmax = – eV0

Kmax = 1/2mv^2max = eV0

پس ماکزیمم انرژی جنبشی فوتوالکترون (انرژی جنبشی سریع‌ترین فوتوالکترون کنده شده از سطح فلز) برابر است با:

Kmax = eV0

آزمایش نشان می‌دهد که کمیت ماکزیمم انرژی جنبشی فوتوالکترون از شدت نور مستقل است. بنابراین با اندازه‌گیری پتانسیل ایست، ماکزیمم انرژی جنبشی الکترون در حین ترک کاتد، به دست می‌آید که البته در این جا از اثرات جنس کاتد صرف‌نظر شده است.

هنگام توضیح اثر فوتوالکتریک، چند ویژگی وجود دارند که نمی‌توان آن‌ها را بر حسب نظریه‌ی کلاسیک و نظریه‌ی موجی نور توضیح داد. در قسمت بعد این ویژگی‌ها معرفی شده و به بررسی نظریه‌ی کوانتومی اینشتین درباره‌ی اثر فوتوالکتریک خواهیم پرداخت.

ادامه دارد »»»

نویسنده اسماعیل جوکار/ سایت علمی بیگ بنگ

منابع:

کتاب فیزیک دانشگاهی، سرز و زیمانسکی – جلد چهارم (نور و فیزیک مدرن)، ترجمه‌ی دکتر فضل‌اله فروتن

کتاب فیزیک جدید ۱،  نشر پیام نور، نوشته‌ی محمود جنوبی و دکتر مهدی سودمند

کتاب مکانیک کوانتومی ۱، نشر پیام نور، نوشته‌ی دکتر احمد آخوند و دکتر داوود افشار

کتاب فیزیک کوانتومی استفان گاسیوروویچ

کتاب لیزر، اصول و کاربردها، تألیف: ج. ویلسون – ج. ف. ب. هاوکز، ترجمه‌ی دکتر عباس بهجت

کتاب اینشتین، عمری در خدمت علم، نوشته‌ی مایکل وایت. جان گریبین

https://fa.wikipedia.org

http://en.wikipedia.org/w/index.php?oldid=251855910

http://daneshnameh.roshd.ir

پی نوشت جهت اطلاع بیشتر:

زمان تناوب:  فاصله‌ی زمانی بین دو وضعیت یکسان و متوالی یک نوسان‌گر را دوره یا زمان‌ تناوب می‌نامند که با حرف T نشان می‌دهند و واحد آن هم ثانیه است.

بسامد یا فرکانس: به تعداد نوسان‌های کامل در مدت یک ثانیه، بسامد یا فرکانس می‌گویند. به عبارتی دیگر، بسامد، آهنگ تکرار حرکت نوسان‌گر است. فرکانس با نماد f یا ν معرفی می‌شود و واحد آن بر ثانیه (s^-1) یا هرتز است. ارتباط بسامد و دوره با فرمول روبه‌رو  مشخص می‌شود:  f=1/T

چنانچه نوسان‌گری در مدت t ثانیه N نوسان انجام دهد، روابط زیر قابل استنتاج است

N = ft = t/T

موضع تعادل:  (Equilibrium Position):  نقطه‌ای است که در آن مکان و شتاب حرکت نوسان‌گر صفر و سرعت آن ماکزیمم است. نام دیگر آن مرکز نوسان است که با حرف O نشان داده می‌شود.

بعد حرکت:  فاصله‌ی نوسان‌گر را در هر لحظه از زمان تا مرکز نوسان، بعد حرکت یا مکان آن می‌نامند. اندازه‌ی بعد معرف میزان انحراف از وضع تعادل نوسان‌گر است و آن را با نماد X یا Y نشان می‌دهند.

بعد اولیه:  به بعد متحرک در مبدأ زمان یعنی ثانیه صفرم، گویند.

دامنه‌ (Amplitude):  به بیشینه‌ی فاصله‌ی نوسان‌گر از مرکز نوسان، بعد ماکزیمم یا دامنه‌ی نوسان می‌گویند و با A نشان می‌دهند. طول مسیر نوسان، دو برابر دامنه است.

طول موج (Wave Lenght): مسافتی که موج در مدت یک دوره طی می‌کند، طول موج نام دارد. فاصله‌ی بین دو قله‌ی متوالی یا دو دوره‌ی متوالی در راستای انتشار موج برابر طول موج است. طول موج به دو کمیت کاملاً متفاوت وابسته است، یکی سرعت انتشار موج که از ویژگی‌های محیط است و دیگری بسامد موج که از ویژگی‌های چشمه‌ی تولید موج است.

در واقع موج در مدت T ثانیه به اندازه‌ی X=λ جابه‌جا می‌شود. لذا نحوه‌ی ارتباط طول موج و سرعت انتشار موج بر اساس فرمول زیر است. اگر t=T   و    x=vt    داریم:

Λ = vT = ν/f

فرکانس آستانه (Threshold Frequency):  برای یک فلز معین، یک مقدار معینی از فرکانس وجود دارد که کم‌تر از آن، هیچ‌گونه الکترونی جدا نمی‌شوند.

پتانسیل الکتریکی (V):  انرژی پتانسیل بر واحد بار در هر نقطه‌ی میدان الکتریکی، پتانسیل الکتریکی (یا تنها پتانسیل) آن نقطه نامیده می‌شود.

V=U/q

انرژی پتانسیل یک ذره‌ی باردار در یک میدان الکتریکی به اندازه‌ی بار بستگی دارد. ولی انرژی پتانسیل بر واحد بار در هر نقطه‌ی میدان الکتریکی یک مقدار یکتا دارد.

اختلاف پتانسیل الکتریکی (Vf – Vi): اختلاف پتانسیل بین دو نقطه‌ی اولیه و نهایی یک میدان الکتریکی با اختلاف انرژی پتانسیل بر واحد بار بین آن دو نقطه برابر است.

Vf-Vi = Uf-Ui/q

شدت موج الکترومغناطیسی: برابر است با مقدار انرژی که از واحد سطح در واحد زمان می‌گذرد.

پتانسیل ایست: ولتاژی است که اگر دو سر الکترود‌ها اعمال شود، دیگر پدیده فوتو الکتریک به وجود نمی‌آید. از نظر عددی، پتانسیل ایست برابر است با بیشینه‌ی انرژی الکترون‌های گسیل‌‌شده (برحسب الکترون‌ولت). یعنی زمانی‌که انرژی الکترون‌های گسیل‌شده، ۱۰ الکترون‌ولت باشد، پتانسیل ایست، ۱۰ولت است. پتانسیل ایست، زمانی باعث توقف پدیده فوتو الکتریک می‌شود که نور تابشی به الکترود مثبت برخورد کند.

 

image_pdfimage_print
(11 نفر , میانگین : 4٫73 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=35637
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

۵ پاسخ‌ها

  1. سلام این مطالب را از فیزیک پیش دانشگاهی خاطرم هست.
    ولی بهتره مطلبی که اینقدر بار علمی و نیاز به تمرکز مخاطب داره طولانی نباشه.
    چون خواننده وسط راه از خوندن پشیمون میشه.
    باتشکر

    • اسماعيل اسماعيل گفت:

      سلام
      مبحث فوتو‌ن‌ها، الکترون‌ها و اتم‌ها به بررسی خاصیت ذره‌ای بودن ذرات کوانتومی می‌پردازه. خصوصاً بحث فوتوالکتریک بسیار گسترده بود که البته تمام تلاش بر این بود که مطلبی جامع و کامل و در عین حال ساده باشه و از فرمول‌ها و مباحث ریاضی تا حد امکان پرهیز شود. شاید بحث اثر فوتوالکتریک که در این سایت ارائه شده، یکی از کامل ‌ترین منابع در این زمینه به زبان فارسی باشه و از اون می‌توان حتی به عنوان تحقیق‌های دانشگاهی استفاده کرد. قسمت اول اثر فوتوالکتریک مربوط به موارد کلاسیک آن می‌شد و احساس کردم اگر بخواهم در چند قسمت اونو ارائه دهم، دچار پراکندگی ذهنی و فراموشی مطالب قسمت قبل شود. قسمت دوم هم که به بررسی نظریه‌ی کوانتومی اثر فوتوالکتریک می‌پردازه، دارای حجم مطالب زیادی است. همچنین قسمت سوم و چهارم اون. خیلی راحت می‌شه با ذخیره صفحه و مطالعه اون در وقت مناسب مشکل را حل و از اون استفاده کرد.

  2. اینه گفت:

    ممنون از سایت عالیتون
    من تا الان سایتی رو ندیدم که ایقدر خوب و کامل (البته به زبان فارسی) توضیح بده
    تشکر

  3. فروش گفت:

    خیلی جالب بود
    یه سوال
    اگه یه کانون نور بر روی سطح فلزی خاص ایجاد کنیم؛ از طریق بازتاب میشه الکنرون هارو به دستگاهی جهت کار روی الکترون ها استفاده کنیم؟

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *