เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก: นิยาม สมการ และการทดลอง

ทุกสิ่งที่เรียนรู้ในฟิสิกส์คลาสสิกเปลี่ยนไปเมื่อนักฟิสิกส์สำรวจอาณาจักรที่เล็กกว่าและค้นพบเอฟเฟกต์ควอนตัม ท่ามกลางการค้นพบครั้งแรกเหล่านี้คือผลกระทบจากตาแมว ในช่วงต้นทศวรรษ 1900 ผลของเอฟเฟกต์นี้ล้มเหลวในการทำนายแบบคลาสสิกและสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีควอนตัมเท่านั้น ซึ่งเป็นการเปิดโลกใหม่สำหรับนักฟิสิกส์

ทุกวันนี้ โฟโตอิเล็กทริคเอฟเฟกต์มีประโยชน์หลายอย่างเช่นกัน ตั้งแต่การถ่ายภาพทางการแพทย์ไปจนถึงการผลิตพลังงานสะอาด การค้นพบและการประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์นี้ในตอนนี้มีนัยยะที่นอกเหนือไปจากการเข้าใจวิทยาศาสตร์เพียงอย่างเดียว

เมื่อแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากระทบวัสดุ เช่น พื้นผิวโลหะ วัสดุนั้นบางครั้งจะปล่อยอิเล็กตรอน เรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน. โดยพื้นฐานแล้วเนื่องจากอะตอมในวัสดุดูดซับรังสีเป็นพลังงาน อิเล็กตรอนในอะตอมดูดซับรังสีโดยกระโดดไปยังระดับพลังงานที่สูงขึ้น ถ้าพลังงานที่ดูดซับได้สูงเพียงพอ อิเล็กตรอนจะออกจากอะตอมของบ้าน

กระบวนการนี้บางครั้งเรียกว่าการปล่อยแสงเนื่องจากโฟตอนตกกระทบ (ชื่ออื่นสำหรับอนุภาคของแสง) เป็นสาเหตุโดยตรงของการปล่อยอิเล็กตรอน เนื่องจากอิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบ แผ่นโลหะที่ปล่อยออกมาจึงถูกปล่อยให้แตกตัวเป็นไอออน

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่พิเศษที่สุดเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกก็คือมันไม่เป็นไปตามการทำนายแบบดั้งเดิม วิธีที่อิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมา จำนวนที่ปล่อยออกมา และการเปลี่ยนแปลงนี้ด้วยความเข้มของแสงทำให้นักวิทยาศาสตร์ต้องเกาศีรษะในตอนแรก

การคาดการณ์ดั้งเดิมเกี่ยวกับผลของโฟโตอิเล็กทริกจากฟิสิกส์คลาสสิกมีดังต่อไปนี้:

1. พลังงานถ่ายโอนจากรังสีตกกระทบไปยังอิเล็กตรอน สันนิษฐานว่าพลังงานใดก็ตามที่เกิดขึ้นกับวัสดุจะถูกดูดกลืนโดยอิเล็กตรอนในอะตอมโดยตรง โดยไม่คำนึงถึงความยาวคลื่น สิ่งนี้สมเหตุสมผลในกระบวนทัศน์กลไกคลาสสิก: สิ่งที่คุณเทลงในถังจะเติมถังตามจำนวนนั้น
2. การเปลี่ยนแปลงความเข้มของแสงควรทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน หากสันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนกำลังดูดซับรังสีใดๆ ก็ตามที่เกิดขึ้นกับพวกมัน การแผ่รังสีที่เหมือนกันควรให้พลังงานแก่พวกมันมากขึ้น เมื่ออิเล็กตรอนออกจากขอบเขตของอะตอมแล้ว พลังงานนั้นจะถูกมองเห็นในรูปของพลังงานจลน์
3. แสงความเข้มต่ำมากควรให้เวลาหน่วงระหว่างการดูดกลืนแสงและการปล่อยอิเล็กตรอน อาจเป็นเพราะสันนิษฐานว่าอิเล็กตรอนต้องได้รับพลังงานเพียงพอที่จะออกจากอะตอมที่บ้าน และแสงที่มีความเข้มต่ำก็เหมือนกับการเพิ่มพลังงานให้กับ "ถัง" พลังงานของพวกมันช้ากว่า ใช้เวลานานกว่าจะเติม และด้วยเหตุนี้จึงควรใช้เวลานานกว่าที่อิเล็กตรอนจะมีพลังงานเพียงพอที่จะปล่อยออกมา

ผลลัพธ์จริงไม่สอดคล้องกับการคาดการณ์เลย ซึ่งรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

1. อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาเมื่อแสงตกกระทบถึงหรือเกินความถี่เกณฑ์เท่านั้น ไม่มีการปล่อยก๊าซออกมาต่ำกว่าความถี่นั้น ไม่สำคัญว่าความเข้มข้นจะสูงหรือต่ำ ด้วยเหตุผลบางอย่าง ความถี่หรือความยาวคลื่นของแสงเองนั้นสำคัญกว่ามาก
2. การเปลี่ยนแปลงความเข้มไม่ได้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน พวกเขาเปลี่ยนเฉพาะจำนวนอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมา เมื่อถึงความถี่เกณฑ์แล้ว การเพิ่มความเข้มไม่ได้เพิ่มพลังงานให้กับอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาเลย พวกเขาทั้งหมดลงเอยด้วยพลังงานจลน์เดียวกัน มีมากกว่านั้น
3. ไม่มีการหน่วงเวลาที่ความเข้มต่ำ ดูเหมือนจะไม่มีเวลาที่จำเป็นในการ "เติมถังพลังงาน" ของอิเล็กตรอนที่ให้มา ถ้าจะปล่อยอิเลคตรอน อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาทันที ความเข้มที่ต่ำกว่าไม่มีผลต่อพลังงานจลน์หรือเวลาหน่วง มันส่งผลให้มีการปล่อยอิเล็กตรอนน้อยลง

วิธีเดียวที่จะอธิบายปรากฏการณ์นี้คือเรียกใช้กลศาสตร์ควอนตัม ลองนึกถึงลำแสงไม่ใช่เป็นคลื่น แต่เป็นกลุ่มของแพ็กเก็ตคลื่นที่ไม่ต่อเนื่องซึ่งเรียกว่าโฟตอน โฟตอนทั้งหมดมีค่าพลังงานที่แตกต่างกันซึ่งสอดคล้องกับความถี่และความยาวคลื่นของแสง ตามที่อธิบายโดยความเป็นคู่ของอนุภาคคลื่น

นอกจากนี้ ให้พิจารณาว่าอิเล็กตรอนสามารถกระโดดระหว่างสถานะพลังงานที่ไม่ต่อเนื่องเท่านั้น พวกมันสามารถมีค่าพลังงานจำเพาะเท่านั้น แต่ไม่มีค่าใด ๆ ในระหว่างนั้น ตอนนี้สามารถอธิบายปรากฏการณ์ที่สังเกตได้ดังนี้:

1. อิเล็กตรอนจะถูกปล่อยออกมาก็ต่อเมื่อดูดซับค่าพลังงานที่เฉพาะเจาะจงมากเท่านั้น อิเล็กตรอนที่ได้รับแพ็คเก็ตพลังงานที่เหมาะสม (พลังงานโฟตอน) จะถูกปล่อยออกมา จะไม่มีการปล่อยแสงใด ๆ หากความถี่ของแสงตกกระทบต่ำเกินไปโดยไม่คำนึงถึงความเข้ม เนื่องจากไม่มีแพ็กเก็ตพลังงานใดที่มีขนาดใหญ่พอ
2. เมื่อเกินความถี่เกณฑ์ ความเข้มที่เพิ่มขึ้นจะเพิ่มจำนวนอิเล็กตรอนเท่านั้น ปล่อยออกมาและไม่ใช่พลังงานของอิเล็กตรอนเองเพราะอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาแต่ละตัวจะดูดซับหนึ่งไม่ต่อเนื่อง โฟตอน ความเข้มที่มากขึ้นหมายถึงโฟตอนมากขึ้นและด้วยเหตุนี้โฟโตอิเล็กตรอนที่มากขึ้น
3. ไม่มีการหน่วงเวลาแม้ที่ความเข้มต่ำ ตราบใดที่ความถี่สูงพอ เพราะทันทีที่อิเล็กตรอนได้รับแพ็กเก็ตพลังงานที่ถูกต้อง อิเล็กตรอนก็จะถูกปล่อยออกมา ความเข้มต่ำส่งผลให้มีอิเล็กตรอนน้อยลงเท่านั้น

แนวคิดสำคัญประการหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกคือฟังก์ชันการทำงาน หรือที่เรียกว่าพลังงานการจับอิเล็กตรอน เป็นพลังงานขั้นต่ำที่จำเป็นในการขจัดอิเล็กตรอนออกจากของแข็ง

สูตรสำหรับฟังก์ชันการทำงานถูกกำหนดโดย:

ที่ไหน-eคือประจุอิเล็กตรอนϕคือศักย์ไฟฟ้าสถิตในสุญญากาศใกล้พื้นผิวและอีคือระดับแฟร์มีของอิเล็กตรอนในวัสดุ

ศักย์ไฟฟ้าสถิตวัดเป็นโวลต์และเป็นตัววัดพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหน่วยประจุ ดังนั้นพจน์แรกในนิพจน์-eϕคือพลังงานศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กตรอนใกล้กับพื้นผิวของวัสดุ

ระดับ Fermi สามารถคิดได้ว่าเป็นพลังงานของอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดเมื่ออะตอมอยู่ในสถานะพื้น

ที่เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับฟังก์ชันการทำงานคือความถี่ของเกณฑ์ นี่คือความถี่ต่ำสุดที่โฟตอนตกกระทบจะทำให้เกิดการปล่อยอิเล็กตรอน ความถี่เกี่ยวข้องโดยตรงกับพลังงาน (ความถี่สูงสอดคล้องกับพลังงานที่สูงกว่า) เหตุใดจึงต้องถึงความถี่ต่ำสุด

เหนือความถี่ธรณีประตู พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับความถี่ ไม่ใช่ความเข้มของแสง โดยพื้นฐานแล้วพลังงานของโฟตอนเดียวจะถูกถ่ายโอนไปยังอิเล็กตรอนตัวเดียวทั้งหมด พลังงานจำนวนหนึ่งถูกใช้เพื่อขับอิเล็กตรอน และส่วนที่เหลือเป็นพลังงานจลน์ อีกครั้ง ความเข้มที่มากขึ้นหมายถึงการปล่อยอิเล็กตรอนมากขึ้น ไม่ใช่ว่าอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจะมีพลังงานมากขึ้น

พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาสามารถหาได้จากสมการต่อไปนี้:

ที่ไหนK_maxคือพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนห่าคือค่าคงที่ของพลังค์ = 6.62607004 ×10^-34 ม²กก./วินาทีฉคือความถี่ของแสงและฉ₀คือความถี่ธรณีประตู

คุณสามารถนึกถึงการค้นพบเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นในสองขั้นตอน ประการแรก การค้นพบโฟโตอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากวัสดุบางชนิดอันเป็นผลมาจากแสงตกกระทบ และประการที่สอง การกำหนด ว่าเอฟเฟกต์นี้ไม่เป็นไปตามฟิสิกส์คลาสสิกเลย ซึ่งนำไปสู่รากฐานที่สำคัญหลายประการในการทำความเข้าใจควอนตัมของเรา กลศาสตร์.

ไฮน์ริช เฮิรตซ์ สังเกตปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเป็นครั้งแรกในปี พ.ศ. 2430 ขณะทำการทดลองกับเครื่องกำเนิดช่องว่างประกายไฟ การตั้งค่าเกี่ยวข้องกับทรงกลมโลหะสองคู่ ประกายไฟที่เกิดขึ้นระหว่างทรงกลมชุดแรกจะทำให้เกิดประกายไฟให้กระโดดไปมาระหว่างชุดที่สอง ซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวแปลงสัญญาณและตัวรับ เฮิรตซ์สามารถเพิ่มความไวของการตั้งค่าได้โดยการส่องแสงบนตัวเครื่อง ปีต่อมา เจ.เจ. ทอมป์สันค้นพบว่าความไวที่เพิ่มขึ้นเป็นผลมาจากแสงที่ทำให้อิเล็กตรอนถูกขับออกมา

ขณะที่ Phillip Lenard ผู้ช่วยของ Hertz ระบุว่าความเข้มไม่ส่งผลต่อพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน แต่ Robert Millikan เป็นผู้ค้นพบความถี่ธรณีประตู ต่อมา ไอน์สไตน์สามารถอธิบายปรากฏการณ์ประหลาดนี้ได้โดยสมมติการหาปริมาณพลังงาน

Albert Einstein ได้รับรางวัลโนเบลในปี 1921 จากการค้นพบกฎของโฟโตอิเล็กทริก และมิลลิกันได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2466 สำหรับงานที่เกี่ยวข้องกับการทำความเข้าใจโฟโตอิเล็กทริก ผล

เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกมีประโยชน์หลายอย่าง หนึ่งในนั้นคือช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถตรวจสอบระดับพลังงานอิเล็กตรอนในเรื่องได้โดยกำหนดความถี่ของเกณฑ์ที่แสงตกกระทบทำให้เกิดการปล่อย หลอดโฟโตมัลติเพลเยอร์ที่ใช้เอฟเฟกต์นี้ถูกใช้ในกล้องโทรทัศน์รุ่นเก่าด้วย

การประยุกต์ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่มีประโยชน์มากคือการสร้างแผงโซลาร์เซลล์ แผงเซลล์แสงอาทิตย์เป็นอาร์เรย์ของเซลล์สุริยะซึ่งเป็นเซลล์ที่ใช้อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากโลหะโดยการแผ่รังสีแสงอาทิตย์เพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า ณ ปี 2018 เกือบ 3 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานของโลกถูกสร้างขึ้นโดยแผงโซลาร์เซลล์ แต่ตัวเลขนี้คือ คาดว่าจะเติบโตอย่างมากในอีกหลายปีข้างหน้า โดยเฉพาะอย่างยิ่งประสิทธิภาพของแผงดังกล่าว such เพิ่มขึ้น

แต่ที่สำคัญที่สุด การค้นพบและความเข้าใจเกี่ยวกับเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกได้วางรากฐานสำหรับสาขากลศาสตร์ควอนตัมและความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับธรรมชาติของแสง

มีการทดลองมากมายที่สามารถทำได้ในห้องปฏิบัติการฟิสิกส์เบื้องต้นเพื่อสาธิตเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก สิ่งเหล่านี้บางส่วนซับซ้อนกว่าส่วนอื่น

การทดลองง่ายๆ แสดงให้เห็นถึงเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกด้วยอิเล็กโทรสโคปและหลอด UV-C ที่ให้แสงอัลตราไวโอเลต วางประจุลบบนอิเล็กโทรสโคปเพื่อให้เข็มเบี่ยงเบน จากนั้นฉายแสง UV-C แสงจากหลอดไฟจะปล่อยอิเลคตรอนจากอิเล็กโทรสโคปและคายประจุออกมา คุณสามารถบอกสิ่งนี้ได้โดยการดูการโก่งตัวของเข็ม อย่างไรก็ตาม โปรดทราบว่าหากคุณลองการทดลองแบบเดียวกันกับอิเล็กโทรสโคปที่มีประจุบวก มันจะไม่ทำงาน

มีหลายวิธีที่เป็นไปได้ในการทดลองเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก การตั้งค่าหลายอย่างเกี่ยวข้องกับโฟโตเซลล์ที่ประกอบด้วยขั้วบวกขนาดใหญ่ที่เมื่อโดนแสงตกกระทบจะปล่อยอิเล็กตรอนที่ขั้วลบหยิบขึ้นมา หากการตั้งค่านี้เชื่อมต่อกับโวลต์มิเตอร์ เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจะชัดเจนเมื่อส่องแสงทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้า

การตั้งค่าที่ซับซ้อนมากขึ้นช่วยให้วัดได้แม่นยำยิ่งขึ้น และยังช่วยให้คุณกำหนดฟังก์ชันการทำงานและความถี่เกณฑ์สำหรับวัสดุต่างๆ ได้ ดูส่วนทรัพยากรสำหรับลิงก์