फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव: परिभाषा, समीकरण और प्रयोग

शास्त्रीय भौतिकी में सीखी गई हर चीज उसके सिर पर आ गई थी क्योंकि भौतिकविदों ने कभी छोटे क्षेत्रों की खोज की और क्वांटम प्रभावों की खोज की। इनमें से पहली खोज प्रकाश-विद्युत प्रभाव थी। 1900 की शुरुआत में, इस आशय के परिणाम शास्त्रीय भविष्यवाणियों से मेल खाने में विफल रहे और केवल क्वांटम सिद्धांत के साथ व्याख्या योग्य थे, भौतिकविदों के लिए एक पूरी नई दुनिया खोल दी।

आज, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कई व्यावहारिक अनुप्रयोग भी हैं। चिकित्सा इमेजिंग से लेकर स्वच्छ ऊर्जा के उत्पादन तक, इस आशय की खोज और अनुप्रयोग के अब ऐसे निहितार्थ हैं जो विज्ञान को समझने से कहीं आगे जाते हैं।

जब प्रकाश, या विद्युत चुम्बकीय विकिरण, धातु की सतह जैसी सामग्री से टकराता है, तो वह सामग्री कभी-कभी इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन करती है, जिसे कहा जाता हैफोटोइलेक्ट्रॉन. यह अनिवार्य रूप से इसलिए है क्योंकि सामग्री में परमाणु ऊर्जा के रूप में विकिरण को अवशोषित कर रहे हैं। परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तरों पर कूदकर विकिरण को अवशोषित करते हैं। यदि अवशोषित ऊर्जा काफी अधिक है, तो इलेक्ट्रॉन अपने घर के परमाणु को पूरी तरह से छोड़ देते हैं।

इस प्रक्रिया को कभी-कभी भी कहा जाता हैफोटो उत्सर्जनक्योंकि आपतित फोटॉन (प्रकाश के कणों का दूसरा नाम) इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन का प्रत्यक्ष कारण हैं। चूँकि इलेक्ट्रॉनों पर ऋणात्मक आवेश होता है, जिस धातु की प्लेट से वे उत्सर्जित हुए थे, वह आयनित रह जाती है।

हालांकि, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के बारे में सबसे खास बात यह थी कि यह शास्त्रीय भविष्यवाणियों का पालन नहीं करता था। जिस तरह से इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन हुआ, वह संख्या जो उत्सर्जित हुई और प्रकाश की तीव्रता के साथ यह कैसे बदल गया, सभी वैज्ञानिकों ने शुरू में अपना सिर खुजलाया।

शास्त्रीय भौतिकी से किए गए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के परिणामों की मूल भविष्यवाणियों में निम्नलिखित शामिल हैं:

1. आपतित विकिरण से इलेक्ट्रॉनों में ऊर्जा का स्थानांतरण होता है। यह मान लिया गया था कि सामग्री पर जो भी ऊर्जा आपतित होती है, वह सीधे परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों द्वारा अवशोषित की जाएगी, तरंग दैर्ध्य की परवाह किए बिना। शास्त्रीय यांत्रिकी प्रतिमान में यह समझ में आता है: आप बाल्टी में जो कुछ भी डालते हैं वह उस राशि से बाल्टी भरता है।
2. प्रकाश की तीव्रता में परिवर्तन से इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन होना चाहिए। यदि यह मान लिया जाए कि इलेक्ट्रॉन जो भी विकिरण उन पर आपतित करते हैं, उन्हें अवशोषित कर रहे हैं, तो उसी विकिरण के अधिक से अधिक उन्हें तदनुसार अधिक ऊर्जा देनी चाहिए। एक बार जब इलेक्ट्रॉन अपने परमाणुओं की सीमा को छोड़ देते हैं, तो वह ऊर्जा गतिज ऊर्जा के रूप में दिखाई देती है।
3. बहुत कम-तीव्रता वाले प्रकाश को प्रकाश अवशोषण और इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन के बीच एक समय अंतराल देना चाहिए। ऐसा इसलिए होगा क्योंकि यह माना जाता था कि इलेक्ट्रॉनों को अपने घर के परमाणु को छोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए, और कम तीव्रता वाला प्रकाश उनकी ऊर्जा "बाल्टी" में ऊर्जा को धीरे-धीरे जोड़ने जैसा है। इसे भरने में अधिक समय लगता है, और इसलिए इलेक्ट्रॉनों के पास उत्सर्जित होने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होने में अधिक समय लगना चाहिए।

वास्तविक परिणाम भविष्यवाणियों के अनुरूप बिल्कुल नहीं थे। इसमें निम्नलिखित शामिल थे:

1. इलेक्ट्रॉनों को तभी छोड़ा जाता था जब आपतित प्रकाश थ्रेशोल्ड फ़्रीक्वेंसी तक पहुँच गया या उससे अधिक हो गया। उस आवृत्ति से नीचे कोई उत्सर्जन नहीं हुआ। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता था कि तीव्रता अधिक थी या कम। किसी कारण से, प्रकाश की आवृत्ति, या तरंगदैर्घ्य ही अधिक महत्वपूर्ण था।
2. तीव्रता में परिवर्तन से इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा में परिवर्तन नहीं हुआ। उन्होंने केवल उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या को बदल दिया। एक बार थ्रेशोल्ड आवृत्ति तक पहुँच जाने के बाद, तीव्रता में वृद्धि से प्रत्येक उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन में अधिक ऊर्जा बिल्कुल नहीं जुड़ती। इसके बजाय, वे सभी एक ही गतिज ऊर्जा के साथ समाप्त हुए; उनमें से बस और अधिक थे।
3. कम तीव्रता पर कोई समय अंतराल नहीं था। ऐसा प्रतीत होता है कि किसी दिए गए इलेक्ट्रॉन की "ऊर्जा बाल्टी भरने" के लिए कोई समय आवश्यक नहीं है। यदि एक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करना था, तो वह तुरंत उत्सर्जित हो गया। कम तीव्रता का गतिज ऊर्जा या अंतराल समय पर कोई प्रभाव नहीं पड़ा; इसके परिणामस्वरूप कम इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन हुआ।

इस घटना की व्याख्या करने का एकमात्र तरीका क्वांटम यांत्रिकी का आह्वान करना था। प्रकाश की किरण को तरंग के रूप में नहीं, बल्कि असतत तरंग पैकेटों के संग्रह के रूप में सोचें जिन्हें फोटॉन कहा जाता है। सभी फोटॉन में अलग-अलग ऊर्जा मान होते हैं जो प्रकाश की आवृत्ति और तरंग दैर्ध्य के अनुरूप होते हैं, जैसा कि तरंग-कण द्वैत द्वारा समझाया गया है।

इसके अलावा, विचार करें कि इलेक्ट्रॉन केवल असतत ऊर्जा राज्यों के बीच कूदने में सक्षम हैं। उनके पास केवल विशिष्ट ऊर्जा मान हो सकते हैं, लेकिन बीच में कभी भी कोई मान नहीं हो सकता है। अब देखी गई घटनाओं को इस प्रकार समझाया जा सकता है:

1. इलेक्ट्रॉनों को तभी छोड़ा जाता है जब वे बहुत विशिष्ट पर्याप्त ऊर्जा मूल्यों को अवशोषित करते हैं। सही ऊर्जा पैकेट (फोटॉन ऊर्जा) प्राप्त करने वाला कोई भी इलेक्ट्रॉन जारी किया जाएगा। यदि घटना प्रकाश की आवृत्ति तीव्रता की परवाह किए बिना बहुत कम है, तो कोई भी जारी नहीं किया जाता है क्योंकि कोई भी ऊर्जा पैकेट व्यक्तिगत रूप से काफी बड़ा नहीं है।
2. एक बार जब थ्रेशोल्ड आवृत्ति पार हो जाती है, तो तीव्रता बढ़ने से केवल इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ जाती है जारी किया गया है और स्वयं इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा नहीं है क्योंकि प्रत्येक उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन एक असतत को अवशोषित करता है फोटान अधिक तीव्रता का अर्थ है अधिक फोटॉन, और इसलिए अधिक फोटोइलेक्ट्रॉन।
3. कम तीव्रता पर भी समय की देरी नहीं होती है जब तक कि आवृत्ति काफी अधिक हो क्योंकि जैसे ही एक इलेक्ट्रॉन को सही ऊर्जा पैकेट मिलता है, वह निकल जाता है। कम तीव्रता का परिणाम केवल कम इलेक्ट्रॉनों में होता है।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव से संबंधित एक महत्वपूर्ण अवधारणा कार्य फलन है। इलेक्ट्रॉन-बाध्यकारी ऊर्जा के रूप में भी जाना जाता है, यह एक ठोस से इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा है।

कार्य फलन का सूत्र निम्न द्वारा दिया गया है:

कहा पे-इइलेक्ट्रॉन चार्ज है,ϕसतह के पास निर्वात में इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता है औरइसामग्री में इलेक्ट्रॉनों का फर्मी स्तर है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता वोल्ट में मापा जाता है और प्रति यूनिट चार्ज विद्युत संभावित ऊर्जा का एक उपाय है। अत: व्यंजक में पहला पद,-ईϕ, सामग्री की सतह के पास एक इलेक्ट्रॉन की विद्युत संभावित ऊर्जा है।

जब परमाणु अपनी जमीनी अवस्था में होता है तो फर्मी स्तर को सबसे बाहरी इलेक्ट्रॉन की ऊर्जा के रूप में माना जा सकता है।

कार्य फ़ंक्शन से निकटता से संबंधित थ्रेशोल्ड आवृत्ति है। यह न्यूनतम आवृत्ति है जिस पर आपतित फोटॉन इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन का कारण बनेंगे। आवृत्ति सीधे ऊर्जा से संबंधित है (उच्च आवृत्ति उच्च ऊर्जा से मेल खाती है), इसलिए न्यूनतम आवृत्ति तक क्यों पहुंचा जाना चाहिए।

दहलीज आवृत्ति के ऊपर, इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा आवृत्ति पर निर्भर करती है न कि प्रकाश की तीव्रता पर। मूल रूप से एक फोटॉन की ऊर्जा पूरी तरह से एक इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित हो जाएगी। उस ऊर्जा की एक निश्चित मात्रा का उपयोग इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए किया जाता है, और शेष इसकी गतिज ऊर्जा है। फिर से, अधिक तीव्रता का मतलब है कि अधिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होंगे, यह नहीं कि उत्सर्जित होने वालों में और ऊर्जा होगी।

उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा निम्नलिखित समीकरण द्वारा ज्ञात की जा सकती है:

कहा पेक_{मैक्स}फोटोइलेक्ट्रॉन की अधिकतम गतिज ऊर्जा है,एचप्लैंक नियतांक है = 6.62607004 ×10^-34 म²किलो / एस,एफप्रकाश की आवृत्ति है औरएफ₀दहलीज आवृत्ति है।

आप फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज को दो चरणों में होने के रूप में सोच सकते हैं। पहला, आपतित प्रकाश के परिणामस्वरूप कुछ पदार्थों से फोटोइलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की खोज, और दूसरा, निर्धारण कि यह प्रभाव शास्त्रीय भौतिकी का बिल्कुल भी पालन नहीं करता है, जिसके कारण क्वांटम की हमारी समझ के कई महत्वपूर्ण आधार हैं यांत्रिकी

हेनरिक हर्ट्ज़ ने पहली बार 1887 में एक स्पार्क गैप जनरेटर के साथ प्रयोग करते हुए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव देखा। सेटअप में दो जोड़ी धातु के गोले शामिल थे। गोले के पहले सेट के बीच उत्पन्न स्पार्क्स दूसरे सेट के बीच कूदने के लिए स्पार्क्स को प्रेरित करते हैं, इस प्रकार ट्रांसड्यूसर और रिसीवर के रूप में कार्य करते हैं। हर्ट्ज़ इस पर प्रकाश डालकर सेटअप की संवेदनशीलता को बढ़ाने में सक्षम था। वर्षों बाद, जे.जे. थॉम्पसन ने पाया कि बढ़ी हुई संवेदनशीलता प्रकाश के कारण इलेक्ट्रॉनों को बाहर निकालने का कारण बनती है।

जबकि हर्ट्ज के सहायक फिलिप लेनार्ड ने निर्धारित किया कि तीव्रता फोटोइलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा को प्रभावित नहीं करती है, यह रॉबर्ट मिलिकन थे जिन्होंने दहलीज आवृत्ति की खोज की थी। बाद में आइंस्टीन ने ऊर्जा के परिमाणीकरण को मानकर इस अजीब घटना की व्याख्या की।

फोटोइलेक्ट्रिक के नियम की खोज के लिए अल्बर्ट आइंस्टीन को 1921 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था प्रभाव, और मिलिकन ने 1923 में फोटोइलेक्ट्रिक को समझने से संबंधित कार्य के लिए नोबेल पुरस्कार जीता प्रभाव।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कई उपयोग हैं। उनमें से एक यह है कि यह वैज्ञानिकों को थ्रेशोल्ड आवृत्ति का निर्धारण करके पदार्थ में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा स्तरों की जांच करने की अनुमति देता है जिस पर प्रकाश उत्सर्जन का कारण बनता है। इस आशय का उपयोग करने वाली फोटोमल्टीप्लायर ट्यूबों का उपयोग पुराने टेलीविजन कैमरों में भी किया जाता था।

सौर पैनलों के निर्माण में फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का एक बहुत ही उपयोगी अनुप्रयोग है। सौर पैनल फोटोवोल्टिक कोशिकाओं के सरणियाँ हैं, जो कोशिकाएँ हैं जो सौर विकिरण द्वारा धातुओं से निकाले गए इलेक्ट्रॉनों का उपयोग वर्तमान उत्पन्न करने के लिए करती हैं। 2018 तक, दुनिया की लगभग 3 प्रतिशत ऊर्जा सौर पैनलों से उत्पन्न होती है, लेकिन यह संख्या है अगले कई वर्षों में उल्लेखनीय रूप से बढ़ने की उम्मीद है, विशेष रूप से ऐसे पैनलों की दक्षता के रूप में बढ़ती है।

लेकिन सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज और समझ ने क्वांटम यांत्रिकी के क्षेत्र और प्रकाश की प्रकृति की बेहतर समझ के लिए आधार तैयार किया।

ऐसे कई प्रयोग हैं जो फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को प्रदर्शित करने के लिए एक प्रारंभिक भौतिकी प्रयोगशाला में किए जा सकते हैं। इनमें से कुछ दूसरों की तुलना में अधिक जटिल हैं।

एक साधारण प्रयोग इलेक्ट्रोस्कोप और पराबैंगनी प्रकाश प्रदान करने वाले यूवी-सी लैंप के साथ फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को प्रदर्शित करता है। इलेक्ट्रोस्कोप पर ऋणात्मक आवेश रखें ताकि सुई विक्षेपित हो जाए। फिर, यूवी-सी लैंप को चमकाएं। दीपक से प्रकाश इलेक्ट्रोस्कोप से इलेक्ट्रॉनों को मुक्त करेगा और इसे निर्वहन करेगा। आप सुई के विक्षेपण को कम होते देख कर बता सकते हैं कि ऐसा होता है। हालाँकि, ध्यान दें कि यदि आपने धन आवेशित इलेक्ट्रोस्कोप के साथ एक ही प्रयोग करने की कोशिश की, तो यह काम नहीं करेगा।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के साथ प्रयोग करने के कई अन्य संभावित तरीके हैं। कई सेटअपों में एक फोटोकेल शामिल होता है जिसमें एक बड़ा एनोड होता है, जो घटना प्रकाश के साथ हिट होने पर कैथोड द्वारा उठाए गए इलेक्ट्रॉनों को छोड़ देगा। यदि यह सेटअप वोल्टमीटर से जुड़ा है, उदाहरण के लिए, प्रकाश के चमकने पर वोल्टेज उत्पन्न होने पर फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव स्पष्ट हो जाएगा।

अधिक जटिल सेटअप अधिक सटीक माप की अनुमति देते हैं और यहां तक ​​कि आपको विभिन्न सामग्रियों के लिए कार्य फ़ंक्शन और थ्रेशोल्ड आवृत्तियों को निर्धारित करने की अनुमति देते हैं। लिंक के लिए संसाधन अनुभाग देखें।