پدیده فتوالکتریک

در اواخر قرن ۱۹هانریش هرتز مشاهده نمود كه هرگاه نور فرابنفش به كلاهك فلزی الكتروسكوپ باردار با بار منفی بتابد الكتروسكوپ خنثی میشود یعنی نور فرودی میتواند الكترونهای اضافی را از الكتروسكوپ جدا كند . در سال ۱۹۰۵ میلادی انیشتین با استفاذه از نظریه كوانتمی نور توانست چگونگی بوقوع پیوستن این پدیده را توضیح دهد.
● نظریه انیشتین:
وقتی به صفحه فلزی نور با طول موج كوتاه بتابانیم تعدادی از كوانتومهای انرژی نور فرودی جذب صفحه فلزی می شود كه می تواند الكترونهای منفرد اتمهای فلز را از محل خودشان جدا سازد زیرا وقتی یك فوتون به یك الكترون منفرد برخورد كند از حركت باز میایستد و انرژی خود را به الكترون میدهد. اگر این انرژی (E) بیشتر از انرژی مقید الكترون(انرژی كه تحت ان در مدار قرار گرفته) باشد پس از جدا كردن الكترون بقیه انرژی فوتون به انرژی جنبشی الكترون تبدیل میشود.
E=انرژی فوتون فرودی
hf=انرژی مقید الكترون در فلز
k=انرژی جنبشی الكترون
E=hf+k
۱) لامپ كوارتز (خالی شده از هوا)
۲) ولتمتر
۳) گالوانومتر
۴) مقاومت
۵) باطری
۶) دوالكترود از جنس فلز سدیم
● مشاهدات ازمایش :
۱) تا زمانیكه نور بر الكترود A كه كاتد انتخاب شده نتابد با وجود ولتاژ بالا هیچ جریانی ازلامپ عبور نمی كند.
۲) در اثر تابش نور بر سطح فلز سدیم امپر متر عبور جریان در كمتر از ۱۰ نانو ثانیه نشان می دهد.
۳ ) اگر ولتاژ مثبت را زیادتر كنیم فتو الكترونهای بیشتری از A به B شارش می یابند و گالوانومتر عدد بیشتری را نشان میدهد.
۴) وقتی ولتاژ مثبت به حدی زیاد شود كه بتواند تمام فتوالكترونها را به سمت الكترود B بكشاند بیشترین جریان فتوالكتریكی را گالوانومتر از خود عبور میدهد كه به ان جریان اشباع گفته میشود و پس از ان مقدار جریان ثابت خواهد ماند.
۵) اگر جای قطبین باطری را عوض كنیم بطوریكه الكترود B ولتاژ منفی شود (V<۰)خواهیم دید جریان فتو الكترون از مقدار بیشینه رو به كاهش می گذارد و در یك ولتاژ معین V- كه به ان ولتاژ متوقف كننده گویند جریان فتوالكترون صفرمیشود و اگر ولتاژكمتر از -V شود جریان صفر خواهد ماند.
۶) اگر از فلزات دیگری به جای الكترود A استفاده شود به ازای بعضی از انها گالوانومتر هیچ جریانی را نشان نمیدهد.
۷) اگرنور قرمز با شدت زیاد ، به الكترود فلز سدیم بتابانیم اگر چه تعداد بیشتری الكترون ازاد می سازد ولی نسبت به نور ابی با شدت كم، الكترونهای با انرژی كمتر تولید می كند.
۸) مقدار ولتاژ متوقف كننده تابع جنس الكترود فلز A نیست و به شدت نور فرودی وابسته است.
eV(stop) = hf - W
اگر شدت موج فرودی بزرگتر باشد الكترونها با انرژی بیشتری از سطح فلز A جدا خواهند شد.و اگر شدت موج فرودی كم باشد زمان بیشتری طول می كشد تا اینكه الكترونها به اندازه كافی انرژی كسب نمایند.
● بطور خلاصه نتایج حاصل از نظریه انیشتین:
۱) برای جدا كردن یك الكترون مقید به فلز باید انرژی نور فرودی بزرگتر و یا مساوی با بسامد الكترون مقید به فلز باشد.
هما نطور كه در شكل می بینم نور قرمز چون طول موجش بلندتر ودر نتیجه بسامد و انرژی كوچكتری نسبت به نور سبز و بنفش دارد نمی تواند الكترون مقید فلز پتاسیم را جدا كند در مقایسه نور سبز و بنفش می بینیم كه چون طول موج نور بنفش كمتر وبسامد ان بیشتر است وانرژی بیشتری دارد نه تنها الكترون را از سطح فلز جدا میكند بلكه سرعت بیشتری هم به ان میدهد. انرژی فوتون فرودی را میتوان به صورت زیر هم نوشت*f همان فركانس یا بسامد فرودی نورهای قرمز وسبز و بنفش است :
Ephoton=h*f
۲) هر چقدر شار نور فرودی مناسب بیشتر باشد تعداد الكترونهای بیشتری از سطح فلز ازاد خواهند شد.

منبع : وبلاگ فرازهائی از علم فیزیك و ملاصدرا

منبع : شبکه فیزیکی هوپا