اثر فوتوالکتریک

اثر فوتوالکتریک توسط هاینریش هرتز در سال 1887 در جریان آزمایش‌هایی کشف شد که هدف آن‌ها تأیید پیشگویی‌های نظری ماکسول در مورد وجود امواج الکترومغناطیسی بود. و این کشف زمانی اتفاق افتاد که بار یک الکتروسکوپ با بار منفی در اثر تابش پرتوهای فرابنفش تخلیه گردید. همین امر زمینه آزمایشهایی را فراهم کرد که منجر به کشف پدیده ای به نام فوتوالکتریک گردید که توجیه آن تنها زمانی قابل قبول بود که به نور خاصیت ذره ای نسبت بدهیم.

اگر پرتو نوری با بسامد مناسب به سطح فلزی تابیده شود،‌ الکترونهایی از سطح آن جدا میگردد که به این پدیده، اثر فوتوالکتریک و به الکترون‌هایی که از سطح فلز جدا می‌شوند، فوتوالکترون می‌گویند. فوتوالکترون‌ها از نظر خواص فیزیکی و رفتار، تفاوتی با بقیه الکترون‌ها ندارند. پیشوند فوتو، بر این نکته تاکید می‌کند که جدا شدن الکترون‌ها از سطح در نتیجه تابش نور است.

نتایج تجربی نشان می دهد که:

1. تعداد الکترونهایی که در واحد سطح از فلز جدا میشوند، با شدت نور تابشی متناسب است.
2. براي هرفلز معین فرکانس آستانه اي براي نور تابیده شده وجود دارد که به ازاي فرکانسهاي کمتر از آن به هیچ عنوان الکترون از سطح فلز آزاد نمیشود.
3. حداکثر انرژي جنبشی الکترونهاي تولید شده که اصطلاحا آنها را فوتوالکترون می نامیم به فرکانس نورتابش شده بستگی داشته و از شدت نور تابشی مستقل است.

برای نتایجی بدست آمده توسط آزمایش های تجربی توجیهی در فیزیک کلاسیک یافت نشد و تحلیل نتایج حاصل از آزمایش ها آن تا سال 1905 طول کشید.

در این زمان آلبرت اینشتین با ساخت دستگاهی که شامل یک لامپ خلا و دو الکترود آند و کاتد بود و الهام از نظریه پلانک با در نظر گرفتن خاصیت ذره ای برای نور نتایج حاصل از آزمایشهای تجربی را که تا آن زمان توسط فیزیک کلاسیک توجیه نمی شد را بررسی کرده و به روابطی دست یافت که لازمه آن نسبت دادن خاصیت ذره ای برای نور بوده و همچنین با این نتایج توانست به ثابت پلانک را برسد.

نحوه کار با شبیه ساز

مرحله اول یک فلز خاص را انتخاب کنید و با تغییر لغزنده هایی که برای کنترل پارامتر های طول موج، شدت نور و ولتاژ معکوس تعبیه شده اثر هر یک را بر الکترونهای جدا شده از الکترود مشاهده نمایید

مرحله دوم برای مقایسه طول موج هایی که اثر فوتو الکتریک برای فلزات مختلف رخ می دهد ابتدا یکی از فلزات را انتخاب کرده و توسط لغزنده مربوط به طول موج از طول موج های بیشتر به آرامی به سمت طول موجهای کمتر کاهش دهید. طول موجی را که در آن اثر فوتوالکتریک برای فلز اول روی می دهد را یاداشت کرده و آن را با طول موج آستانه که در آن اثر فوتوالکتریک برای فلز دو آغاز می شود مقایسه کنید.

مرحله 3 برای یک فلز خاص هنگامی که اثر فوتوالکتریک روی می دهد با کاهش یا افزایش شدت نور اثرات مربوطه را مشاهده کنید و نتایج را مبنی بر اثر تغییر شدت نور بر طول موج آستانه و همچنین تعداد فوتو الکترونهای جدا شده مشاهده نمایید

برای حالتهای مختلف طول موج و شدت تابش اثر ولتاژ معکوس را بر نتایج شبیه سازی ملاحظه نمایید.

پس از کار با شبیه ساز سعی کنید به سوالات زیر پاسخ دهید:

1-آیا اثر فوتوالکتریک برای یک فلز خاص در هر طول موجی رخ میدهد؟

2-آیا طول موجی که در آن برای هر فلز معین اثر فوتو الکتریک ظاهر می شود یکسان است؟

3-اگر طول موجی که به سطح فلز می تابانیم از طول موجی که لازم است اثر فوتو الکتریک رخ بدهد کمتر باشد چه تاثیری بر سرعت حرکت فوتوالکترون ها میگذارد؟

4-آیا با افزایش شار فوتونها (شدت نور فرودی) در طول موجی که اثر فوتو الکتریک مشاهده نمی شود می توان الکترون ها را از سطح فلز جدا نمود؟

5-افزایش شدت تابش چه تاثیری در تعداد فوتو الکترونهایی دارد که از سطح فلز جدا می شوند؟

6-افزایش ولتاژمعکوس باعث چه پدیده ای می شود.