منظور از اثر فتوالکتریک چیست؟

اثر فتوالکتریک برای اولین بار توسط هاینریش هرتز در سال 1887 میلادی مشاهده شد. او مشاهده کرد که گاهی پس از تاباندن نوری با فرکانس مشخص به سطح یک فلز، جرقه هایی روی آن ایجاد می شوند. جرقه هایی که بعداً مشخص شد در واقع الکترون های برانگیخته ای هستند که در حال ترک فلز می باشند.

فیزیکدانان قرن 19 میلادی سعی داشتند این پدیده را با قوانین فیزیک کلاسیک توضیح دهند. بر اساس این قوانین، نور رفتاری موجی دارد؛ در نتیجه میدان الکتریکی نوسان کننده با برخورد به الکترون های لایه سطحی یک فلز باعث مرتعش شدن و در نتیجه آزاد شدن آنها از دام اتم های فلز می شوند. آنها با توجه به همین فرضیه، دو پیش بینی برای اثر فتوالکتریک کردند. پیش بینی هایی که تایید شدن شان نیازمند انجام آزمایش بود. طبق این پیش بینی ها هنگام وقوع اثر فتوالکتریک هرچه دامنه نور بیشتر باشد، انرژی جنبشی الکترون آزاد شده هم بیشتر است. همچنین با افزایش بسامد (فرکانس) نور، جریان الکتریکی خروجی از فلز هم زیادتر می شود.

برای اینکه این پیش بینی را بهتر متوجه شوید، اسکله ای را در نظر بگیرید که چندین توپ روی آن قرار دارد؛ اسکله نمایانگر سطح فلز و توپ ها نشان دهنده الکترون ها هستند. امواج دریا نقش نور تابیده شده به سطح فلز را ایفا می کنند. همانطور که واضح است هرچه موجی که به توپ ها برخورد می کند، بزرگتر باشد، یعنی دامنه آن بیشتر باشد، میزان انرژی جنبشی توپ ها هم بیشتر شده و بیشتر جابجا می شوند. هر چقدر هم که بسامد موج های برخوردی به توپ ها بیشتر باشد، یعنی در یک مدت زمان مشخص موج بیشتری به توپ ها برخورد کند، تعداد توپ های بیشتری به حرکت در خواهند آمد.

با اینکه تایید این پیش بینی کاملاً محتمل به نظر می رسید، نتایج بدست آمده پس از انجام آزمایش حکایت از این داشت که واقعیت کاملاً برعکس فرضیات پیشین فیزیکدانان است. با افزایش بسامد نور برخوردی به سطح فلز، تغییری در شدت جریان الکتریکی به وجود نمی آید بلکه میزان انرژی جنبشی الکترون های خارج شده از فلز متناسب با آن افزایش می یابد. از سوی دیگر با بزرگتر شدن دامنه نور، شدت جریان الکتریکی زیادتر می شود و در مقدار انرژی جنبشی الکترون ها تغییری ایجاد نمی شوند. اما دلیل این تناقض ها چه چیزی می توانست باشد؟

آلبرت اینشتین در سال 1905 این معما را حل کرد و بابت این کار برنده جایزه نوبل شد. برای پیدا کردن پاسخ این معما اینشتین مدل کاملاً متفاوت و جدیدی از نور را ارائه کرد. مدلی که در آن نور در کنار رفتار موج مانند، گاهی هم رفتار ذره مانند از خود بروز می داد و هر کدام از ذرات نور را یک فوتون نامید. انرژی هر فوتون با بسامد نور رابطه مستقیم دارد. پس هرچه بسامد بیشتر باشد، انرژی فوتون هم بیشتر می شود. مقدار مشخصی از انرژی صرف آزادسازی الکترون از بند فلز می شود که به آن تابع کار گفته می شود و بقیه آن هم تبدیل به انرژی جنبشی الکترون می شود. دامنه نور نیز رابطه مستقیمی با تعداد فوتون هایی که در هر بار به سطح فلز برخورد می کنند، دارد که همین باعث می شود الکترون های بیشتری آزاد شده و شدت جریان الکتریکی افزایش پیدا کند.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «منظور از اثر فتوالکتریک چیست؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد.