+ اثر فوتو الکتريک
|
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