اثر فوتوالکتریک پیشرفته

در شبیه سازی که قبلا در این مورد منتشر شد(اثر فوتوالکتریک) اشاره شد که 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 بارِ یک الکتروسکوپ با بار منفی در اثر تابش پرتوهای فرابنفش تخلیه گردید. همین امر زمینه آزمایش‌هایی را فراهم کرد که منجر به کشف پدیده‌ای به نام فوتوالکتریک گردید که توجیه آن تنها زمانی قابل قبول بود که به نور خاصیت ذره ای نسبت بدهیم.

نحوه انجام آزمایش

شبیه ساز حاضر در تکمیل شبیه ساز قبلی به بررسی تحلیل نمودارهای مربوط به شدت جریان-اختلاف پتانسیل($I-V$)، شدت جریان برحسب شدت تابش و حداکثر انرژی جنبشی بر حسب بسامد نور تابیده شده می پردازد.

نام اجزای مختلف که در آزمایش مورد استفاده قرار گرفته و نحوه کار آنها در راهنمای موجود در صفحه به طور کامل نشان داده شده است. برای انجام آزمایش بهتر است ابتده تیک مربوط به تجسم فوتون ها و الکترونها را بگذاریم تا بتوانیم با تغییراتی که در بسامد و شدت تابش انجام می‌دهیم، رفتار الکترونها را مشاهده نماییم.

در ابتدای کار مدار مربوط به دستگاه های اندازه گیری یعنی ولت‌سنج و آمپرسنج را قطع می کنیم و موج الکترومغناطیس با بیشترین طول موج را به کاتد می تابانیم

و رفتار فلز های مختلف را در مواجهه با این نور مورد بررسی قرار می‌دهیم و به تدریج طول موج پرتو فرودی را کاهش می‌دهیم. طول موجی که در آن الکترونها شروع به جدا شدن از کاتد می‌کنند را به عنوان بیشینه طول موجی که اثر فوتوالکتریک برای آن فلز روی می‌دهد طول موج قطع می‌نامیم و بسامد متناظر با طول موج قطع بسامد قطع نامیده می‌شود.

بعد از یافتن بسامد آستانه، دکمه روشن و خاموش بر روی منبع تغذیه را روشن کرده و ولتاژ را صفر منظور می‌کنیم. ملاحظه می‌نماییم با اینکه ولتاژ صفر است آمپرسنج جریانی را نمایش می‌دهد که نشان دهنده این است که در نبود ولتاژ مستقیم؛ الکترونهایی وجود دارند که بعد از جدا شدن از فلز، انرژی جنبشی لازم جهت رسیدن از کاتد به آند را دارند. حال از نوار لغزنده مربوط به نمودارها، نمودار شدت جریان بر حسب شدت تابش را انتخاب می‌کنیم و با تغییر دادن شدت تابش نحوه تغییرات شدت جریان را رسم می‌نماییم. در تحلیل این نمودار می‌توان گفت که افزایش شدت تابش باعث می‌شود تعداد الکترونهایی که از کاتد به آند می‌رسند افزایش یابد اما این افزایش دائمی نخواهد بود و در مقداری موسوم به جریان اشباع ثابت خواهد ماند. این امر با فیزیک کلاسیک قابل توجیه نبود و از مواردی است که باید برای توجیه آن از فیزیک کلاسیک عبور کنیم.

حال اگر در این حالت نمودار را تغییر دهیم و به برسی نحوه تغییرات شدت جریان بر حسب ولتاژ اعمالی بپردازیم ملاحظه می‌کنیم که جریان با افزاش ولتاژ، افزایش می‌یابد و باز هم در مقدار جریان بیشینه، افزایش ولتاژ مستقیم تاثیری در جریان نخواهد داشت ولی اگر ولتاژ منفی اعمال نماییم جریان الکتریکی رفته رفته کاهش یافته و در ولتاژی موسوم به ولتاژ قطع عملا جریان صفر می شود. اگر در این حالت به رفتار الکترونهای جدا شده از کاتد دقت کنیم خواهیم دید الکترونهای جدا شده رفته رفته سرعت خود را در حرکت به سوی آند کم می‌کنند و قبل از رسیدن به آند برمی‌گردند؛ یعنی در این حالت حتی الکترونی که با بیشترین مقدار انرژی جنبشی از کاتد جدا شده نمی تواند خود را به آند برساند و جریان فوتو الکتریک در این حالت صفر است.

حال اگر همین نمودار را برای یک شدت تابش دیگر رسم نماییم ملاحظه خواهیم کرد در شدت نورهای بیشتر، جریان فوتوالکتریک در مقادیر بزرگتر به اشباع می رسد ولی ولتاژ قطع برای یک فلز معین تغییر نمی‌کند.

نمودار دیگری که در این شبیه ساز برای اثر فوتوالکتریک ارائه شده نمودار تغییرات بیشینه انرژی جنبشی الکترونها(که رابطه مستقیم با ولتاژ قطع دارد) بر حسب بسامد فرودی است. با انتخاب این نمودار و تغییر در بسامد ملاحظه می‌کنیم انرژی جنبشی الکترونها تا رسیدن بسامد به بسامد قطع صفر است و بعد از آن که بسامد از بسامد قطع فراتر رفت، افزایش بسامد با افزایش خطی بیشینه انرژی جنبشی همراه خواهد بود و نمودار تغییرات بیشینه انرژی جنبشی بر حسب بسامد خط راستی با شیب ثابت است که اینشتین نشان داد شیب این نمودار برابر ثابت پلانک است. با تغییر فلز زمینه کاتد ملاحظه می‌گردد بسامد قطع فلزات مختلف با یکدیگر برابر نیست اما شیب تغییرات نمودار تغییر بیشینه انرژی جنبشی بر حسب بسامد تابشی برای همه فلزها یکسان است. مواردی که توسط این آزمایش مورد بررسی قرار گرفت همگی در صورتی قابل قبول هستند که انرژی امواج الکترومغناطیسی را کوانتیده در نظر گرفته و به رابطه

$hf=hf_{o}+k_{Max}$

ایمان داشته باشیم. در این رابطه $f$ بسامد نور تابش شده و $f_{o}$ بسامد قطع است و $k_{Max}$ بیشینه انرژی جنبشی است که با تعیین ولتاژ قطع توسط ولت سنج با رابطه $k_{Max}=ev_{o}$ قابل محاسبه است.

پرسش ها:

1. اثر فوتوالکتریک چیست؟
2. آیا اثر فوتوالکتریک در هر بسامدی رخ می‌دهد؟
3. اگر در بسامدی خاص اثر فوتو الکتریک رخ نداد آیا می‌توان با افزایش شدت تابش نور فرودی اثر فوتو الکتریک را مشاهده کرد؟
4. تاثیر ولتاژ مستقیم در اثر فوتوالکتریک چیست؟
5. تاثیر ولتاژ معکوس در اثر فوتوالکتریک چیست؟
6. با یادداشت کردن ولتاژ قطع بسامد نور تابشی و همچنین بسامد قطع برای یک فلز معین تابع کار و بیشینه انرژی جنبشی ثابت پلانک را بدست آورید.