بنا به نظريه کوانتومي ، امواج به ظاهر پيوسته الکترومغناطيسي ، کوانتيده‌اند و از کوانتومهاي گسسته‌اي به نام فوتون تشکيل شده‌اند که هر فوتون داراي انرژي مشخصي است که مقدار آن فقط به فرکانس بستگي دارد.

مقدمه

اين تعارض جوهر ماناي ذره گونه که با انتشار موج - ذره رخ مي‌دهد، نظريه کوانتوم توصيف عيني يابد، آنگاه مي‌توانيم موقعيتهاي آن را در لحظات پي در پي مشخص و مسير آن را معين کنيم. اما ذراتي که مسيرهاي مشخصي را طي مي‌کنند، مشخصه نقش تداخلي موج گونه آنها را براي هر نوع ماده‌اي که واقعا قابل مشاهده باشد، ايجاد نمي‌کند. در آزمايشگاه ، اين نقشها همچون نقشي از تيک تاکهاي آرايه‌اي از آشکار سازها مشاهده مي‌شود. تمهيدات مستند نظريه کوانتومي اين نقشها را بوسيله يک تابع موج در فرماليزم رياضي آن نظريه بوجود مي‌آورد.

اين تابع موج احتمال آشکار سازي يک تيک تاک را توصيف مي‌کند و چشم به راه يک شيء "حقيقي" نيست. بنابراين ، نظريه کوانتومي با نفي اينکه "موج" يا "ذره" "حقيقي" هستند، مسأله موج - ذره را حل مي‌کند. به علاوه ، نظريه کوانتومي با آنچه که از معاني متعارف و رسمي آنها برداشت مي‌شود. مفهوم ماده گاهي موج و گاهي ذره است را ندارد.

بر اساس اصل دوبروي ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌اي و موجي در نظر گرفته مي‌شود،
که البته اين خاصيت در دنياي ميکروسکوپي بيشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌اي به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از "پلانک" ، "آلبرت انیشتین" توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط "کامپتون" انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون

واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم

 

اثر فوتوالکتریکی

اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش فیزیک امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترون های شتابدار از صفحه فلزی منتشر می شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، انرژی زیادی دریافت می کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می کنند و به سمت آند پیش می روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده، اثر فوتو الکتریک می گویند. در واقع تمام مواد ( جامد، مایع و گاز ) می توانند در شرایط خاصی تحت تاثیر اثر فوتوالکتریک، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی، فوتوالکترون نیز می گویند.
اثر فوتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، اثری از فوتو الکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می دهد، یعنی گیسل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی کند.
این بن بستی بود برای دانشمندان در مورد خاصیت نور. تا اینکه انیشتین با ارائه نظریه خود در مورد فوتون، توانست این معما را حل کند. وی فرض کرد که انرژی در تمام فرکانس های موج به طور یکنواخت و یکسان توزیع نشده اند و بلکه فیزیک امواج به صورت بسته هایی از انرژی به نام کوانتم هستند، که بعداً فوتون نامیده شد. انرژی فوتون ها با فرکانس امواج رابطه مستقم دارد. که این معادله به معادله پلانک نیز مشهور است. در این معادله h ثابت پلانک است.

= فرکانس موج
در اثر فوتوالکتریک الکترون های لایه ظرفیت اتم های فلز، با دریافت انرژی موج از صفحه فلزی جدا می شوند، اما در لحظه جدا شدن الکترون های مقداری از انرژی خود را برای غلبه بر نیروی جاذبه الکتروستاتیکی، مصرف می می کنند که انیشتین آن را تابع کار فلز نامید و مقدار آن برای هر فلز، منحصر بفرد است. مقدار تابع کار هر فلز از از 1 تا 10 الکترون ولت متغیر است. پس حداکثر انرژی الکترون های گسیلی از معادله رابطه زیر دست می آید:

T= تابع کار

فوتوالكتریك

هانریش هرتز ، در حین انجام یك آزمایش مشاهده كرد كه هنگامی پرتوهای نور با طول‌موج بسیار كوتاه ، مانند فرابنفش ، به كلاهك فلزی یك برق‌نمای باردار منفی می‌تابد ، باعث تخلیه‌ی الكتروسكوپ می‌شود . آزمایش‌های دیگر نشان دادند كه این تخلیه‌ی الكتریكی ، به دلیل جدا شدن الكترون از سطح كلاهك فلزی روی داده است .

هرچه شار نوری ( انرژی كه در واحد زمان توسط نور انتقال می‌یابد )تابیده شده به الكتروسكوپ بیشتر باشد ، تخلیه سریع‌تر انجام می‌شود .

اگر شیشه‌ی جذب‌كننده‌ی تابش فرابنفش را در مسیر پرتوها قرار دهیم تخلیه ی الكتریكی مشاهده نمی‌شود

اگرالكتروسكوپ بار مثبت داشته باشد با تابش فرابنفش تخلیه نمی‌شود . یعنی با تابندن نور بر سطح فلز بار منفی از آن ناپدید می‌شود ولی به رغم تاباندن نور بر سطح فلز بار مثبت در آن باقی می ماند .


بقیه در ادامه مطلب...
ادامه مطلب

پديدة كامپتون


يكي از بهترين آزمايشاتي كه به وسيله آن مي توان خاصيت ذره اي نور را مشاهده كرد و دريافت، اثر كامپتون است. اين پديده را كه نمي توان آنرا در پرتو فيزيك كلاسيك توجيه كرد آرتور هالي كامپتون در سال 1922 كشف كرده است. وي طي آزمايشي نشان داد كه با تابيدن نور با بسامد (رنگ) مشخص بر سطح فلزي براق، الكترون ها و فوتون ها به صورت ذره اي با يكديگر برخورد مي كنند.

بقیه در ادامه مطلب...
ادامه مطلب

---

ادامه مطلب

 

 كشفيست مربوط به اواخر قرن نوزدهم .هاينريش هرتز بدنبال مطالعات خود درباره تابش‌هاي الكترومغناطيس كه ماكسول در سال هزار و هشتصد و شصت وجودشان را پيش‌‌بيني كرده بود دريافت كه در صورتي كه دو كرده باردار را تحت تاثير جرقه حاصل از يك منبع نوراني قرار دهيم نسبت به حالتي كه بخواهيم از جرقه الكتريكي براي اين كار استفاده كنيم بهتر قادر به تخليه بار الكتريكي اين كرات خواهيم بود.بنابراين نور بايد توانائي كندن الكترون ازسطح فلزات را داشته باشد با تحقيقات بيشتر هرتز متوجه شد كه گسيل الكترون از سطح فلز به طول موج نور تابيده شده بستگي دارد و ماگزيمم انرژي جنبشي الكترون هاي كنده شده (فوتوالكترونها) از شدت تابش مستقل است يعني  اگر با يك لامپ صدوات براي جدا كردن الكترون ها از سطح فلز استفاده كنيم الكترونهاي كنده شده همان مقدار انري جنبشي را بعد از جدا شدن از سطح فلز دارند كه الكترون هاي كند شده از سطح فلز توسط لامپي با دو برابر شدت تابش (لامپ دويست وات) دارند.همچنين انرژي جنبشي فوتو الكترونها با افزايش فركانس چشمه نور افزايش مي‌يابد گرچه اثر فوتو الكتريك را مي‌توان با نظريه الكترومغناطيس توضيح داد ولي به كمك اين نظريه نمي‌توانيم بستگي انرژي جنبشي فوتوالكترون ها را بافركانس چشمه نور شرح دهيم.هرتز هيچ توجيهي  براي اين ارتباط نتوانست ارائه دهد و فيزيكدانان هم عصر او نيز هرچه تلاش نمودنندتا به كمك فيزيك كلاسيك گره كور اين نسبت را باز كنند نتوانستند، فيزيك كلاسيك پيش‌بيني مي‌كرد كه هرچه شدت تابش چشمه نور بيشتر باشد بايد الكترون‌هاي كنده شده از انرژي جنبشي بيشتري برخوردار باشند و همچنين براساس نتايج فيزيك كلاسيك نور تابيده شده از هر طول موجي كه برخوردار باشد بايد قادر به آزاد سازي الكترون از سطح فلز باشد كه اين نتايج با مشاهدات صورت گرفته توسط هرتز مغايرت داشت.

سال 1905 اينشتين با اطلاع از نظريه كوانتومي پلانك به خوبي بن بست بوجود آمده در پديده فوتوالكتريك راازبين برد اين فرض پلانك مبني بر اين كه نور مجموعه اي از كوانتوم هاي انرژي است توانست به خوبي رابطه بين ماگزيموم انرژي جنبشي الكترونهاي كنده شده از سطح فلز را با فركانس نور تابيده شده توضيح دهد او دليل خود را اين گونه ارائه كرد

 

تابش شامل مجموعه اي از بسته ها يا كوانتوم هاي انرژي است كه بايد انرژي معادل hfبراي آنها درنظرگرفت(f فركانس نور تابيده شده است) اگر اين بسته هاي انرژي جذب سطح يك فلز شوند مقداري از انرژي اين بسته ها صرف غلبه بر سد پتانسيلي فلز شده (مقدار اين سد بستگي به نوع فلز دارد ) و ما بقي انرژي آنها به انرژي جنبشي الكترونها ي كنده شده مبدل مي شود بنابراين هرچه فركانس يك تابش بيشتر باشد مقدار انرژي آن با توجه به رابطه

  E= hf

بيشتر خواهد بود و مقدار باقي مانده انرژي فوتون تابيده شده به سطح فلز نيز افزايش مي يابد كه نهايتا صرف بالا بردن انرژي جنبشي الكترون هاي كنده شده ميشود به همين صورت متناسب بودن جريان فوتوالكترون با شدت چشمه نور نيز قابل توجيه است چراكه  كوانتوم هاي نور (فوتون) با افزايش شدت تابش چشمه نور افزايش مي يابند ودر اين صورت فوتونهاي بيشتري ازچشمه نور گسيل مي يابداين فوتون ها نيز به نوبه خود الكترونهاي بيشتري  را از سطح فلز جدا مي كنند، رابرت ميليكان نيز با انجام آزمايش هايي فرضيات ارائه شده توسط اينشتين را در مورد پديده فوتو الكتريك تاييد كرد ،اينشتين در سال 1921 ميلادي نه به خاطر بيان نسبيت ها بلكه به خاطر توضيح اثر فوتو الكتريك جايزه نوبل را دريافت كرد. 

 

بعد از اینکه پلانک فرمول اساسی خود را در مورد تابش جسم سیاه ارائه داد و چنین استدلال نمود که تابش دارای طبیعت کوانتومی‌ است، یعنی تابش الکترومغناطیسی از مجموعه‌ای از کوانتومهای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است، تحول شگرفی در علم فیزیک حاصل شد. بطوری که با استفاده از این مفهوم اندرکنشهای مختلف تابش با ماده که نظریه کلاسیک در توجیه آنها ناتوان بود، بطور کامل تشریح گردید. از جمله این اندرکنشها ، اندرکنشی است که به نام فوتوالکتریک معروف است.







اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی زیادی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی ، فتوالکترون نیز می‌گویند.

اثر فتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می‌شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، که به آن بسامد قطع می‌گویند، اثری از فتوالکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک ، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می‌کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می‌شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می‌دهد، یعنی گسیل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی‌کند.

تاریخچه

در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.

ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.

مشخصات اثر فوتوالکتریک

• هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.
  
  
• بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.
  
  
• انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.
  
  
• گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10^-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.
  
  
• اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.

اساس کار فوتو الکتریک

انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10^-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v₀ نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv₀ به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:




رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10^-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.

 

 

اثرفوتوالكتريك يك پديده ي الكترونيك كوانتومي است كه الكترون ها از ماده بعد از گرفتن انرژي از تشعشعات الكترومغناطيسي مانند اشعه ي X يا نور مرئي، جدا مي شوند. در اين مبحث الكترون هاي جدا شده را مي توان به عنوان فوتوالكترون ها مربوط دانست. اين پديده را به خاطر اين كه هنريش رادولف هرتز اين را كشف كرد، اثر هرتز هم مي نامند هر چند كه اين مورد به كلي خارج از استفاده ماند.

 

مطالعه ي اثرفوتوالكتريك ما را به قدم هايي مهم در درك خاصيت كوانتومي نور و الكترون ها هدايت مي كند و به شكل مفاهيم  دو گانگي موج-ذره اعتبار مي بخشد. اين بخش هم ممكن است به اثر فوتورسانايي يا اثر فوتو ولتائيك يا فوتوالكتروشيمي مربوط شود.

 بقیه در ادامه مطلب...

ادامه مطلب