علمی

پدیده فوتوالکتریک

فوتوالکتریک

قبلاً پدیده فوتوالکتریک و ناتوانی فیزیک کلاسیک در توجیه آن را بیان کردیم. در اینجا این پدیده را به‌طور مفصل مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهیم و چگونگی توجیه آن توسط فیزیک کوانتومی را بیان می‌کنیم.

در سال ١٢٦٨ هجری خورشیدی (١٨٨٧ م) هانریش هرتز دانشمند آلمانی در حین انجام آزمایش متوجّه شد که تاباندن نور با طول موج‌های کوتاه مانند امواج فرابنفش به کلاهک فلزی الکتروسکوپ با بار منفی باعث تخلیه الکتروسکوپ می‌شود وی با انجام آزمایش‌های بعدی نشان داد که تخلیه الکتروسکوپ بخاطر جدا شدن الکترون از سطح کلاهک فلزی آن است.

برای بررسی بیشتر پدیده فوتوالکتریک می‌توان دستگاهی مطابق شکل زیر تهیه کرد و دست به آزمایش زد. این دستگاه شامل دو الکترود A و    B است که داخل یک محفظه خلاء قرار دارند. این دو الکترود به یک منبع ولتاژ قابل تنظیم در خارج محفظه وصل شده اند. 

.

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 بتابانیم، جریان در مدار برقرار می‌شود و افزایش ولتاژ باعث افزایش شدت جریان در مدار خواهد شد. این موضوع نشان می‌دهد که نور تابیده شده روی الکترود A باعث کنده شدن الکترون از آن شده است و ولتاژ ما بین دو الکترود نیز (با ایجاد میدان الکتریکی)، الکترون‌های آزاد شده را از کنار الکترود A به الکترود  B می‌رساند و این­چنین جریان درمدار برقرار می‌شود.

چه چیزهایی را می‌توان آزمایش کرد و رابطه بین چه متغیّرهای را بررسی کرد؟


یکی از مواردی که می‌توان در دستگاه بالا آن را بررسی کرد رابطه بین ولتاژ دو سر الکترود و جریان برقرار شده در مدار است. 

آیا هر نوری با هر بسامدی قادر به کندن الکترون از الکترود A است یا نه؟


آیا جنس الکترود A در تعداد الکترون‌های جدا شده (و به تبع آن جریان برقرار شده) تأثیر دارد؟

در اولین گام، ارتباط بین جریان(I) )) و ولتاژ دو سر الکترودها را مطالعه می‌کنیم.
آزمایش نشان می‌دهد وقتی نوری 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 افزایش خواهد یافت. نمودار شدت جریان ( I) ) برحسب ولتاژ دو سر الکترودها مطابق شکل زیر است.

.

همانطور که در نمودار بالا می‌بینید وقتی ولتاژ صفر است باز در مدار جریان برقرار است. به نظر شما این نشان دهنده چیست؟

جواب:


با توجّه به اینکه از اختلاف پتانسیل برای ایجاد میدان الکتریکی استفاده می‌شود و همچنین میدان الکتریکی با وارد کردن نیرو به فوتوالکترون‌ها، آنها را به الکترود  B برساند، می‌توان گفت:

وقتی فوتوالکترون‌ها بدون حضور میدان الکتریکی از الکترود A به الکترود  B می‌رسند به این معنی است که فوتوالکترون‌ها هنگام جدا شدن از الکترود  A انرژی جنبشی لازم برای رسیدن به الکترود  B را دارند. مورد جالب در نمودار بالا آن است که وقتی ولتاژ را منفی می‌کنیم، یعنی الکترود A را به قطب منفی و الکترود  B را به قطب مثبت وصل می‌کنیم، باز جریان در مدار برقرار می‌شود و برای صفر کردن جریان باید ولتاژ منفی را کم کنیم تا نهایتاً جریان در ولتاژ -VOقطع شود. چنین ولتاژی را ولتاژ متوقف کننده (یا ولتاژ ترمز) می‌گویند و چنانچه ولتاژ از این مقدار کمتر باشد جریانی در مدار برقرار نمی‌شود.

 

چرا با افزایش ولتاژ، جریان به یک مقدار حداکثری می‌رسد و از آن پس افزایش ولتاژ تأثیری در افزایش جریان ندارد؟

جواب:


تابیدن نور باعث می‌شود تعدادی معین و محدود الکترون از سطح الکترود جدا شوند که بعضی از آنها بخاطر داشتن انرژی جنبشی مناسب (در غیاب اختلاف پتانسیل هم) به الکترود  B می‌رسند، با افزایش ولتاژ، تعداد بیشتری الکترون به الکترود B می‌رسد تا اینکه در ولتاژی معین، تمام فوتوالکترون‌های جدا شده از الکترود A به الکترود B می‌رسند و از آن به بعد افزایش ولتاژ تأثیری در تعداد الکترون‌های رسیده به الکترود B نخواهد داشت.

 

 

به نظر شما اگر انرژی نور فرودی تغییر کند تغییری در نمودار ایجاد می‌شود؟ ولتاژ متوقف کننده تغییر می‌یابد؟ حداکثر جریان چطور؟

آزمایش نشان می‌دهد که شکل منحنی برای انرژی‌های تابشی مختلف تغییر زیادی نمی‌کند و ولتاژ متوقف کننده نیز ثابت می‌ماند، ولی همانطور که در شکل زیر می‌بینید حداکثر جریان عوض می‌شود، به‌طور مثال اگر انرژی فرودی کم شود حداکثر جریان ایجاد شده در مدار کاهش می‌یابد. در شکل زیر انرژی فرودی در حالت "ب" نصف انرژی فرودی در حالت "الف" است.

 

.

در شکل زیر (الف و ب) نتایج اندازه‌گیرها برای نشان دادن تأثیر انرژی نور فرودی روی جریان مدار، آمده است. به الکترود A نور سبز رنگ تابیده شده است که در حالت "ب" برای افزایش شدت نور فرودی، منبع نور به الکترود نزدیک شده است. همانطور که می‌بینید افزایش شدت نور باعث افزایش جریان به ازای هر ولتاژ است که در نهایت با شدت جریان حداکثر بزرگتری نسبت به حالت "الف" روبه‌رو می‌شویم.

.

با توجّه به نمودار قبل جریان حداکثر به انرژی فرودی مربوط است ولی ولتاژ متوقف کننده ربطی به انرژی نور فرودی ندارد. به نظر شما این امر نشان دهنده چیست؟

جواب:


با توجّه به اینکه تغییر انرژی فرودی، شدت جریان مدار را تغییر می‌دهد می‌توان گفت تغییر انرژی فرودی باعث تغییر در تعداد الکترون‌های جدا شده از سطح الکترود A می‌شود. ثابت ماندن ولتاژ متوقف کننده نیز به این معنی است که تغییر انرژی فرودی تغییری در انرژی جنبشی الکترون‌های جدا شده از سطح الکترود A ندارد.

 

همانطور که قبلاً گفته شد موج فرودی با هر بسامد دلخواه قادر به جدا کردن الکترون از الکترود A نخواهد بود، حال با توجّه به این نکته و موارد قبلی به نظر شما ولتاژ متوقف کننده به بسامد نور فرودی بستگی دارد یا خیر؟


  ولتاژ متوقف کننده به بسامد نور فرودی وابسته است.

رابرت میلیکان در آزمایشی ارتباط بین ولتاژ متوقف کننده و بسامد نور فرودی را به دست آورد. همانطور که در شکل زیر می‌بینید رابطه بین ولتاژ متوقف کننده و بسامد نور فرودی، یک رابطه خطی است.

.

بنابراین با کاهش بسامد نور فرودی ولتاژ متوقف کننده نیز کم می‌شود تا در بسامدی معین  و  f 0 لتاژ متوقف کننده صفر می‌شود. در این بسامد دیگر پدیده فوتوالکتریک اتفاق نمی‌افتد و به همین علت این بسامد f0را بسامد قطع می‌نامند.
به نظر شما ولتاژ متوقف کننده به جنس الکترود A بستگی دارد؟ به‌عبارتی آیا نمودار قبل برای فلزهای متفاوت تغییر می‌کند؟

.

.

رابرت میلیکان طی ١٠ سال با انجام آزمایش‌های دقیق روی فلزات متفاوت این نظر را تأیید کرد و به این نتیجه رسید که ولتاژ متوقف کننده به جنس الکترود A بستگی دارد. در شکل زیر نمودار ولتاژ متوقف کننده برای فلزات مختلف رسم شده
+ نوشته شده در  پنجشنبه بیست و ششم آذر 1388ساعت 9:54  توسط گروه فیزیک |