پدیده فوتوالكتریك
قبلاً پدیده فوتوالكتریك و ناتوانی فیزیك كلاسیك در توجیه آن را بیان كردیم. در اینجا این پدیده را به‌طور مفصل مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهیم و چگونگی توجیه آن توسط فیزیك كوانتومی را بیان می‌كنیم.
در سال 1268 هجری خورشیدی (1887 م) هانریش هرتز دانشمند آلمانی در حین انجام آزمایش متوجّه شد كه تاباندن نور با طول موج‌های كوتاه مانند امواج فرابنفش به كلاهك فلزی الكتروسكوپ با بار منفی باعث تخلیه الكتروسكوپ می‌شود وی با انجام آزمایش‌های بعدی نشان داد كه تخلیه الكتروسكوپ به خاطر جدا شدن الكترون از سطح كلاهك فلزی آن است.
برای بررسی بیشتر پدیده فوتوالكتریك می‌توان دستگاهی مطابق شكل سمت راست تهیه كرد و دست به آزمایش زد. این دستگاه شامل دو الكترود A و B است كه داخل یك محفظه خلاء قرار دارند. این دو الكترود به یك منبع ولتاژ قابل تنظیم در خارج محفظه وصل شده اند.
اگر بین این دو الكترود، اختلاف پتانسیل برقرار شود، هیچ جریانی در مدار برقرار نمی‌شود. حتی اگر ولتاژ خیلی بالا باشد؛ ولی اگر نور تكفام با بسامد مناسب بر الكترود A بتابانیم، جریان در مدار برقرار می‌شود و افزایش ولتاژ باعث افزایش شدت جریان در مدار خواهد شد. این موضوع نشان می‌دهد كه نور تابیده شده روی الكترود A باعث كنده شدن الكترون از آن شده است و ولتاژ ما بین دو الكترود نیز (با ایجاد میدان الكتریكی)، الكترون‌های آزاد شده را از كنار الكترود A به الكترود B می رساند و بدین ترتیب جریان در مدار برقرار می‌شود.
به نظر شما با توجّه به دستگاهِ آزمایشِ بالا، چه مواردی را می‌توان بررسی و تحلیل كرد؟
به عبارتی چه چیزهایی را می‌توان آزمایش كرد و رابطه بین چه متغیّرهای را بررسی كرد؟
یكی از مواردی كه می‌توان در دستگاه بالا آن را بررسی كرد رابطه بین ولتاژ دو سر الكترود و جریان برقرار شده در مدار است.
همچنین مورد جالب دیگر این است كه ببینیم آیا هر نوری با هر بسامدی قادر به كندن الكترون از الكترود A است یا نه؟
و آیا جنس الكترود A در تعداد الكترون‌های جدا شده (و به تبع آن جریان برقرار شده) تأثیر دارد؟
در اولین گام، ارتباط بین جریان (I) و ولتاژ دو سر الكترودها را مطالعه می‌كنیم.
آزمایش نشان می‌دهد وقتی نوری با بسامد مناسب به الكترود A بتابد در مدار جریان برقرار می‌شود بدون آنكه نیاز باشد اختلاف پتانسیلی بین دو الكترود برقرار گردد. با افزایش ولتاژ، شدت جریان افزایش خواهد یافت. نمودار شدت جریان (I) برحسب ولتاژ دو سر الكترودها مطابق شكل مقابل است.
همان طور كه در نمودار بالا می‌بینید وقتی ولتاژ صفر است باز در مدار جریان برقرار است. به نظر شما این نشان دهنده چیست؟
راهنمایی و حل:
با توجّه به اینكه از اختلاف پتانسیل برای ایجاد میدان الكتریكی استفاده می‌شود و همچنین میدان الكتریكی با وارد كردن نیرو به فوتوالكترون‌ها، آن ها را به الكترود B برساند، می‌توان گفت:
وقتی فوتوالكترون‌ها بدون حضور میدان الكتریكی از الكترود A به الكترود B می رسند به این معنی است كه فوتوالكترون‌ها هنگام جدا شدن از الكترود A انرژی جنبشی لازم برای رسیدن به الكترود B را دارند. مورد جالب در نمودار بالا آن است كه وقتی ولتاژ را منفی می‌كنیم، یعنی الكترود A را به قطب منفی و الكترود B را به قطب مثبت وصل می‌كنیم، باز جریان در مدار برقرار می‌شود و برای صفر كردن جریان باید ولتاژ منفی را كم كنیم تا نهایتاً جریان در ولتاژ V0- قطع شود. چنین ولتاژی را ولتاژ متوقف كننده (یا ولتاژ ترمز) می‌گویند و چنانچه ولتاژ از این مقدار كمتر باشد جریانی در مدار برقرار نمی‌شود.
چرا با افزایش ولتاژ، جریان به یك مقدار حداكثری می‌رسد و از آن پس افزایش ولتاژ تأثیری در افزایش جریان ندارد؟
راهنمایی و حل:
تابیدن نور باعث می‌شود تعداد معین و محدودی الكترون از سطح الكترود جدا شوند كه بعضی از آن ها به خاطر داشتن انرژی جنبشی مناسب (در غیاب اختلاف پتانسیل هم) به الكترود B می‌رسند، با افزایش ولتاژ، تعداد بیشتری الكترون به الكترود B می رسد تا اینكه در ولتاژی معین، تمام فوتوالكترون‌های جدا شده از الكترود A به الكترود B می رسند و از آن به بعد افزایش ولتاژ تأثیری در تعداد الكترون‌های رسیده به الكترود B نخواهد داشت.
به نظر شما اگر انرژی نور فرودی تغییر كند تغییری در نمودار ایجاد می‌شود؟ ولتاژ متوقف كننده تغییر می‌یابد؟ حداكثر جریان چه طور؟
آزمایش نشان می‌دهد كه شكل منحنی برای انرژی‌های تابشی مختلف تغییر زیادی نمی‌كند و ولتاژ متوقف كننده نیز ثابت می‌ماند، ولی همانطور كه در شكل سمت راست می‌بینید حداكثر جریان عوض می‌شود، به‌طور مثال اگر انرژی فرودی كم شود حداكثر جریان ایجاد شده در مدار كاهش می‌یابد. در شكل های زیر انرژی فرودی در حالت "ب" نصف انرژی فرودی در حالت "الف" است.
در شكل زیر (الف و ب) نتایج اندازه‌گیرها برای نشان دادن تأثیر انرژی نور فرودی روی جریان مدار، آمده است. به الكترود A نور سبز رنگ تابیده شده است كه در حالت "ب" برای افزایش شدت نور فرودی، منبع نور به الكترود نزدیك شده است. همانطور كه می‌بینید افزایش شدت نور باعث افزایش جریان به ازای هر ولتاژ است كه در نهایت با شدت جریان حداكثر بزرگتری نسبت به حالت "الف" روبه‌رو می‌شویم.
با توجّه به نمودار قبل جریان حداكثر به انرژی فرودی مربوط است ولی ولتاژ متوقف كننده ربطی به انرژی نور فرودی ندارد. به نظر شما این امر نشان دهنده چیست؟
راهنمایی و حل:
با توجّه به اینكه تغییر انرژی فرودی، شدت جریان مدار را تغییر می‌دهد می‌توان گفت تغییر انرژی فرودی باعث تغییر در تعداد الكترون‌های جدا شده از سطح الكترود A می شود. ثابت ماندن ولتاژ متوقف كننده نیز به این معنی است كه تغییر انرژی فرودی تغییری در انرژی جنبشی الكترون‌های جدا شده از سطح الكترود A ندارد.
همان طور كه قبلاً گفته شد موج فرودی با هر بسامد دلخواه قادر به جدا كردن الكترون از الكترود A نخواهد بود، حال با توجّه به این نكته و موارد قبلی به نظر شما ولتاژ متوقف كننده به بسامد نور فرودی بستگی دارد یا خیر؟
در دو شكل زیر (الف و ب) نتایج اندازه‌گیری شدت جریان بر حسب ولتاژ منفی آمده است. در حالت "الف" به الكترود A نور سبز رنگ و در حالت "ب" به الكترود A نور آبی رنگ تابانده شده و مابقی شرایط آزمایش در هر دو حالت یكسان است. همانطور كه می‌بینید ولتاژ متوقف كننده در حالت "الف" برابر 0/7 V و در حالت "ب" 1/1 V است، بنابراین ولتاژ متوقف كننده به بسامد نور فرودی وابسته است.
رابرت میلیكان در آزمایشی ارتباط بین ولتاژ متوقف كننده و بسامد نور فرودی را به دست آورد. همان طور كه در شكل سمت چپ می‌بینید رابطه بین ولتاژ متوقف كننده و بسامد نور فرودی، یك رابطه خطی است.
بنابراین با كاهش بسامد نور فرودی ولتاژ متوقف كننده نیز كم می‌شود تا در بسامدی معین
ولتاژ متوقف كننده صفر می‌شود. در این بسامد دیگر پدیده فوتوالكتریك اتفاق نمی‌افتد و به همین علت این بسامد را بسامد قطع می‌نامند.
به نظر شما ولتاژ متوقف كننده به جنس الكترود A بستگی دارد؟ به‌عبارتی آیا نمودار قبل برای فلزهای متفاوت تغییر می‌كند؟
رابرت میلیكان طی 10 سال با انجام آزمایش‌های دقیق روی فلزات متفاوت این نظر را تأیید كرد و به این نتیجه رسید كه ولتاژ متوقف كننده به جنس الكترود A بستگی دارد. در شكل سمت راست نمودار ولتاژ متوقف كننده برای فلزات مختلف رسم شده است.
مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی
تنظیم: مریم فروزان کیا
