اثرفوتوالكتريك
http://www.hupaa.com/upload/thumb/thumb_8376595.jpgاثرفوتوالکتریک یک پدیده ی الکترونیک کوانتومی است که الکترون ها از ماده بعد از گرفتن انرژی از تشعشعات الکترومغناطیسی مانند اشعه ی X یا نور مرئی، جدا می شوند.مطالعه ی اثرفوتوالکتریک ما را به قدم هایی مهم در درک خاصیت کوانتومی نور و الکترون ها هدایت می کند و به شکل مفاهیم دو گانگی موج-ذره اعتبار می بخشد...
[ كوانتوم و فيزيك جديد ]
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.
معرفي--------------------------------------------------------------------------
وقتي كه يك سطح فلزي در معرض فركانسي بالاتر از حد معيني از تابش هاي الكترومغناطيسي قرار گيرد، نور جذب مي شود و الكترون ها جدا مي شود. در سال 1902 فيليپ ادوارد وان لنارد، متوجه شد كه انرژي الكترون هاي جدا شده با افزايش فركانس يا رنگ نور تابشي افزايش مي يابد. اين با تئوري جيمز كلرك ماكسول كه تبيين مي كرد كه انرژي با شدت تابش متناسب است، در تناقض بود. در سال 1905 آينشتين اين تناقض را با توصيف نور به عنوان تكه هاي كوانتومي جدا از هم ، كه فوتون ناميده شد، به جاي موج هاي پيوسته حل كرد. با توجه به تئوري تابش جسم سياه ماكس پلانك، آينشتين گفت كه انرژي هر كوانتوم از نور برابر است با فركانس آن ضرب در يك ثابت كه بعدها ثابت پلانك ناميده شد. يك فوتون بالاتر از يك حد آستانه مي تواند يك الكترون را جدا كند و آن اثر را ايجاد كند. اين كشف موجب يك انقلاب در فيزيك كوانتومي شد و به خاطر همين جايزه نوبل سال 1921 را به آينشتين بابت اين كشف او دادند.
توضيح-------------------------------------------------------------------------------------------
فوتون هاي پرتوهاي نور يك مشخصه انرژي دارند كه توسط فركانس نور معين مي شود. در جريان خروج الكترون از فلز، اگر انرژي دريافتي الكترون از فوتون بيش تر از تابع كار آن باشد آن گاه فوتون از فلز خارج مي شود. و اگر هم انرژي كم تر از تابع كار باشد الكترون نمي تواند از سطح فلز خارج شود. افزايش شدت پرتوي نور، تعداد فوتون هاي يك پرتو را موجب مي شود و در نتيجه الكترون هاي بيش تري خارج مي شوند، بدون اين كه انرژي هر الكترون بيش تر شود. بنابراين انرژي الكترون خارج شده به شدت نور ورودي بستگي ندارد بلكه فقط به انرژي انفرادي فوتون ها بستگي دارد.
الكترون ها وقتي كه منتشر شدند مي توانند انرژي را از فوتون دريافت كنند ولي از قاعده ي "همه يا هيچ" پيروي مي كنند. تمام انرژي يك فوتون مي بايستي براي آزادسازي يك الكترون از بند اتم مصرف شود يا دوباره ساتع مي شود. اگر انرژي فوتون دريافت شود، مقداري از انرژي صرف آزادسازي الكترون مي شود و مابقي آن به انرژي جنبشي الكترون به عنوان يك الكترون آزاد تبديل مي شود.
نتايج تجربي انتشار فوتوالكتريك
1.براي يك فلز و تابش فرودي، ميزان اين كه چه مقدار الكترون خارج شده است مستقيما با شدت نور متناسب است.
2.براي يك فلز معين، يك مقدار معيني از فركانس وجو دارد كه كم تر از آن هيچ گونه الكتروني جدا نمي شود كه به اين فركانس، فركانس آستانه (Threshold Frequency)مي گويند.
3. بالاتر از فركانس آستانه، مقدار انرژي جنبشي فوتوالكترون جدا شده به فركانس نور واردي بستگي دارد نه شدت نور
4.مدت زمان بين برخورد تابش و انتشار فوتوالكترون بسيار كم است، كم تر از ده به توان منفي نه ثانيهمي باشد.
معادلات
در آناليز كردن اثر فوتوالكتريك،برحسب روش آينشتين اين معادلات استفاده مي شود:
انرژي فوتون= انرژي مورد نياز براي جدا كردن الكترون + انرژي جنبشي الكترون جدا شده. كه
به اين صورت نمايش مي دهند:
<!--[if !vml]-->[IMG]file:///C:/DOCUME~1/m/LOCALS~1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.gif[/IMG]<!--[endif]-->
كه:
f0فركانس آستانه براي انجام اثرفوتوالكتريك است.
mمقدار جرم باقي مانده از الكترون جدا شده است
vm سرعت الكترون جدا شده
به خاطر اين مسئله كه الكترون جدا شده نمي تواند انرژي جنبشي منفي داشته باشد، معادلات نشان مي دهند كه اگر انرژي فوتون از تابع كار كم تر باشد، هيچ الكتروني جدا نخواهد شد.
با توجه به نظريه نسبيت خاص آينشتين رابطه ي بين انرژيE و تكانهP يك ذره برابر است با: http://upload.wikimedia.org/math/2/3...6efbf92344.png كه mجرم باقي مانده ي ذره و c سرعت نور در خلا است.
مدل سه پله اي
اثر فوتوالكتريك در يك جسم بلورين معمولا به سه مرحله تقسيم مي شود:
1. اثر فوتوالكتريك دروني.حفره باقي مانده مي تواند موجب پديد آمدن اثرauger شود كه حتي در زماني كه الكترون ها از ماده خارج نمي شود هم قابل رويت هست. در جامدهاي ملكولي، فوتون ها در اين مرحله برانگيخته مي شوند و ممكن است به شكل خطي در آخرين تراز انرژي الكترون قابل رويت باشند. اثر فوتوالكتريك دروني مجبور است كه دو قطبي شود. قوانين جابه جايي براي اتم ها توسط مدل tight-binding در كريستال ها تبيين مي شود. از لحاظ هندسي به نوسان پلاسما شبيه هستند كه آن ها مجبورند عرضي شوند.
2.انتقال بالستيكي نيمي از الكترون ها به سطح كه مقداري از الكترون ها پراكنده مي شوند.
3. الكترون ها از ماده در سطح آن جدا مي شود.
در اين مدل سه مرحله اي الكترون مي تواند چندين راه را برگزيند. تمام اين راه ها مي تواند به صورت فرمول بندي انتگرالي راه شناخته شود. براي قسمت سطح و ملكول ها، مدل سه مرحله اي بازهم مقداري درك در اين مورد مي سازد هرچند كه اتم ها چندين الكترون دارند كه هر كدام مي توانند خروج الكترون را پراكنده كند.
تاريخ-----------------------------------------------------------------------------
در سال 1839 الكساندر ادموند بيكيورل اثر فوتوالكتريك را با قرار دادن نور بر روي الكترودي در يك محلول رسانا مشاهده كرد. در سال1873 ويلوبي اسميت متوجه شد كه سلنيوم يك فوتورسانا هست.
دهانه جرقه هرتز
در سال 1887 هنريش هرتز اثر فوتوالكتريك و توليد و دريافت موج هاي الكترومغناطيسي را مشاهده كرد. او اين مشاهدات را در نشريه Annalen der Physik منتشر كرد. دريافت كننده ي او از يك سيم پيچ و يك دهانه جرقه تشكيل شده بود كه جرقه به صورت موج الكترومغناطيسي ديده مي شد. او دستگاه را در يك جعبه ي تاريك گذاشت تا جرقه را بهتر ببيند هرچند كه مي دانست طول موج جرقه در جعبه كاهش پيدا خواهد كرد. يك تخته ي شيشه اي بين منبع امواج الكترومغناطيسي و دريافت كننده قرار داد تا تابش هاي فرابنفش كه به الكترون ها كمك مي كند تا از شكاف بپرند را جذب كند. وقتي كه اين تخته برداشته شد طول موج جرقه بيش تر شد. او وقتي كه كوارتز را به جاي شيشه گذاشت هيچ گونه كاهش طول موجي را در جرقه نديد باوجود اين كه كوارتز پرتوهاي فرابنفش را جذب نمي كند. هرتز از ماه ها تحقيقاتش نتيجه گيري كرد و نتايج به دست آورده را گزارش داد. او تحقيقات در مورد اين اثر را ادامه نداد و تلاشي براي توضيح اين اثر نداشت.
جي جي تامسون: الكترون ها
در سال 1899 جي جي تامسون در لوله ي كاتدي نورفرابنفش را پيدا كرد. با توجه به كار جيمز كلرك ماكسول، تامسون استنباط كرد كه اشعه ي كاتدي از ذرات باردار منفي تشكيل شده است كه ّبعدها الكترون ناميده شد كه او آن را ذرات ناميد. در آزمايشات تامسون يك بشقاب فلزي (كاتد) را درون يك لوله ي خلا قرار داد و آن را در معرض تابش هاي با فركانس بالا قرار داد. اين طور فكر كردند كه ميدان نوسان كننده موج الكترومغناطيسي باعث برانگيختن اتم مي شود و وقتي كه اتم به يك حد خاصي رسيد آن گاه شروع به انتشار ذرات(الكترون) مي كند و مي توان جريان را آشكار كرد. اين مقدار با تغيير شدت و رنگ تابش فرق مي كرد. تابش با شدت يا فركانس بيش تر جريان بيش تري را توليد مي كرد.
انرژي تابشي
انرژي تابشي
نيكولا تسلا اثر فوتوالكتريك را در سال 1901 توصيف كرد. او تابش ها را به صورت نوسان اتر طول موج هاي كوچك كه اتمسفر را يونيزه كرده اند توصيف كرد. در 5 نوامبر 1901 دستگاه US685957 كه براي استفاده انرژي تابش بود را اختراع و ثبت كرد. اين دستگاه بار دار كردن و خنثي كردن رساناها(مانند يك بشقاب فلزي يا قطعه اي از ميكا) به وسيله ي تابيدن را توضيح مي داد. تسلا از اين اثر و با استفاده از يك بشقاب فلزي رسانا براي باردار كردن خازن استفاده كرد. انرژي تابشي با سرعت بسياري ذرات ريزي (الكترون) را كه داراي بار الكتريكي زيادي است را به بيرون پرتاب مي كرد. اختراع مشخص مي كرد كه تابش( انرژي تابشي) شامل شكل هاي مختلفي بود. اين دستگاه ها به عنوان "پله كردن جريان متناوب فوتوالكتريك" مي شناختند.
در واقع يك فلز براق توسط انرژي تابشي با بيرون رفتن الكترون ها داراي بار مثبت مي شد. وقتي كه بشقاب داراي بار مثبت مي شد، الكترون ها شكل يك نيروي الكترواستاتيكي را روي بشقاب ايجاب مي كردند (به علت انتشار فوتوالكترون از سطح) و بارهاي منفي خازن ها را جريان مي دادند. به محض اين كه پرتوها بر روي رساناهاي عايق شده (كه به يك خازن وصل شده بود) فرود مي آمدند، خازن تا مقدار نامعيني شارژ مي شد.
مشاهدات وان لنارد
در سل 1902 فيليپ ادوارد آنتون وان لنارد با فركانس نور اختلافاتي را در انرژي الكترون ها مشاهده كرد. او از يك لامپ قوسي الكتريكي استفاده كرد كه به او اجازه مي داد تا تغييرات زياد را در شدت را بررسي كند و قدرت لازم را براي بررسي تغييرات پتانسيل بافركانس نور را به او مي داد. آزمايش او مستقيما پتانسيل را اندازه مي گرفت، نه انرژي جنبشي الكترون: او انرژي الكترون را با توجه به بيش ترين مقدار پتانسيل (ولتاژ) در يك لامپ نور-برقي(فوتوتيوب) به دست آورد. او دريافت كه بيش ترين انرژي جنبشي محاسبه شده با توجه به فركانس نور مشخص شده است. براي مثال براي آزاد سازي الكترون با افزايش فركانس، بيشينه ي انرژي جنبشي هم افزايش پيدا مي كرد. پرتوهاي فرابنفش يك مقدار بيش تري پتانسيل ايستايي براي متوقف كردن جريان در يك لامپ نور-برقي نسبت به نور آبي نياز دارد. هر چند كه به خاطر سختي انجام آزمايش نتايج لنارد بيش تر كيفي بود تا كمي. آزمايشات به قطعه اي از فلز خالصي نياز داشت كه به خوبي پيدا مي شد ولي در عرض چند دقيقه اكسيده مي شدند حتي در برخي مواقع كه در خلا هم استفاده مي شد. جريان خارج شده از سطح توسط شدت نور يا روشنايي مشخص مي شد: دو برابر شدن شدت نور به معناي دو برابر شدن تعداد الكترون هاي جدا شده بود. لنارد از فوتون ها چيزي نفهميده بود.
آينشتين: كوانتوم هاي نور
توضيحات رياضياتي آلبرت آينشتين در مورد چگونه اثرفوتوالكتريك از جذب كوانتوم هاي نور(كه اكنون فوتون ناميده مي شود) موجب مي شود، در سال 1905 در مقاله اي به نام "يك ايده ي ذهني در مورد توليد و انتقال نور"منتشر كرد. اين مقاله شكل ساده ي "نور كوانتومي" يا همان فوتون، را پيشنهاد مي داد و نشان مي داد كه آن ها چگونه باعث بروز برخي پديده ها مانند فوتوالكتريك مي شد. توضيح ساده ي او بر حسب دريافت كوانتوم هاي تكي از نور، شكل پديده و صفات فركانس را توضيح مي داد. توضيح آينشتين در مورد اثر فوتوالكتريك باعث شد تا جايزه نوبل فيزيك سال 1921 را به او بدهند.
ايده ي نور كوانتومي با انتشار قانون تابش جسم سياه ماكس پلانك ( قانون گسترش انرژي در طيف هاي معمولي) با فرض كردن اين كه نوسان دهنده هاي هرتزي فقط در حالتي مي توانند وجود داشته باشند كه انرژي با فركانس نوسان دهنده متناسب باشد يعني E=H، كه h ثابت پلانك است، آغاز شد. با فرض اين كه نور واقعا از تكه هاي انرژي جداگانه تشكيل شده است، آينشتين يك معادله براي اثر فوتوالكتريك نوشت كه براي آزمايش متناسب است (اين توضيح مي داد كه چرا انرژي فوتوالكترون ها به فركانس ورودي بستگي داردنه شدت آن: شدت كم و فركانس زياد مي تواند مقدار كمي از فوتون هاي با انرژي را توليد كند، جايي كه شدت زياد و فركانس كم نمي تواند انرژي لازم را براي خارج كردن الكترون تامين كند.) اين يك جهش بزرگ نظري بود و حقيقت وجود كوانتوم هاي نوري به خوبي استقامت پيدا كرد. ايده ي كوانتومي بودن نور با نظريه ي موجي نور كه طبيعتا از معادلات جيمز ماكسول براي رفتار الكترومغناطيسي پيروي مي كرد، در تناقض بود در مورد فرض كردن تقسيم بي نهايتي نور در سيستم هاي فيزيكي. حتي بعد ها آزمايشات هم درستي معادلات آينشتيتن را نشان دادند و با معادلات ماكسول كه تصحيح و فهميده شده بود در تناقض بود.
كار آينشتين پيش بيني كرد كه انرژي الكترون خارج شده با فركانس نور به صورت خطي افزايش مي يابد. احتمالا تا آن زمان هنوز امتحان نشده بوده است. در سال 1905 متوجه شدند كه انرژي فوتوالكترون ها با افزايش فركانس نور افزايش مي يابد نه شدت نور.
تا سال 1915 به صورت عملي اين موضوع كه شكل افزايش به صورت خطي است مشخص نشده بود تا اين كه رابرت ميليكان نشان داد كه حق با آينشتين بوده است.
تاثيرات بر روي موجي- ذره اي
اثر فوتوالكتريك به پيشرفت درك مفاهيم رفتار موجي-ذزه اي نور كمك كرد. اين اثر در قالب شكل كلاسيك نور يعني شكل موجي آن غيرممكن بود، چون انرژي فوتون هاي خارجي به شدت نور واردي بستگي نداشت. نظريه كلاسيك پيش بيني مي كرد كه الكترون ها در يك مدت زماني مي توانند انرژي بگيرند و خارج بشوند. براي نظريه ي كلاسيك براي كار كردن با حالت پيش بارگيري نياز است تا در مورد ماده پا فشاري كنيم. ايده ي پيش بارگيري در كتاب الكترون(+&-) رابرت ميليكان و كتاب اشعه ي X در نظريه و آزمايشات بحث شده است.
استفاده ها و تاثيرات-------------------------------------------------------------
فوتوديود ها و فوتوترانزيستورها
سلول هاي خورشيدي (براي استفاده از انرژي خورشيدي) ديودهاي حساس نوري از شكل مختلف اثرفوتوالكتريك استفاده مي كند ولي از ماده الكترون خارج نمي كند. در نيمه رساناها، نور حتي كم انرژي آن مانند فوتون هاي مرئي مي توانند الكترون هاي از حالت والانس خود در بياورند و به رسانايي برسانند، جايي كه مي توان آن [الكترون]را كنترل كرد و جريان الكتريكي با ولتاژي متناسب با شكاف نواري انرژي توليد كنند.
حس گرهاي عكس
در روزهاي اوليه ي تلويزيون لوله هاي دوربين عكاسي از اثرفوتوالكتريك استفاده مي كردند و در تغييرات جديد بيش تر از فوتورساناها استفاده مي شد.
حس گرهاي عكسي سيليكون مانند سي سي دي ها براي عكاسي ها بسيار كاربرد دارد، آن ها بر پايه يك شكل ديگر از اثرفوتوالكتريك بنا شده اند كه فوتون ها، الكترون ها را از نوار والانسشان در نيمه رساناه بيرون مي كنند، و البته نه از خود جامد.
الكتروسكوپ ورقه ي طلايي
الكتروسكوپ هاي ورقه طلا براي شناسايي الكتريسيته ي ساكن طراحي شده اند. الكتروسكوپ ها در شرح اثر فوتوالكتريك بسيار مهم اند. بگذاريد بگوييم كه الكتروسكوپ داراي بار منفي است. الكترون هايي اضافي وجود دارند و ورقه ها از هم دور شده اند. حال اگر ما يك نور با فركانس بالا را روي كلاهك الكتروسكوپ بتابانيم، الكتروسكوپ خنثي مي شود و ورقه ها مي افتند. اين به اين علت است كه فركانس تابشي از فركانس آستانه ي كلاهك بيش تر است. فوتون هاي موجو در نور انرژي لازم را براي آزاد سازي الكترون ها دارند و بار منفي آن ها را كم تر كند. اين يك راه براي خنثي كردن يك الكتروسكوپ داراي بار منفي است و اگر پيش تر برويم، دادن بار مثبت به آن.
اگر تابش الكترومغناطيسي ما فركانس كافي را براي آزاد سازي الكترون ها را نداشته باشد آن گاه هيچ گاه الكتروسكوپ خنثي نمي شود حتي اگر مدت زيادي هم نور را بر روي كلاهك بگيريم.
طيف بيني فوتوالكترون
از آن جايي كه انرژي فوتوالكترون خارج شده برابر است با انرژي فوتون ورودي منهاي تابع كار ماده يا همان انرژي پيوندي، تابع كار يك نمونه را مي توان با بمباران كردن توسط منبع تكفام اشعه ي ايكس يا منبع تابش فرابنفش و اندازه گيري انرژي جنبشي الكترون هاي خارج شده، مشخص كرد.
طيف بيني فوتوالكترون در يك محيط خلا انجام پذير است چون الكترون ها ممكن است توسط ملكول هاي هوا منحرف بشوند.
فضاپيما
اثرفوتوالكتريك موجب آن مي شود كه بدنه فضاپيما كه در معرض نور خورشيد است داراي بار مثبت شود. اين مي تواند به ده ها ولت برسد. اين مي تواند به يك مشكل بزرگ تبديل شود و منطقه ي در سايه را داراي بار منفي كند(بالاي چند كيلو ولت). عدم تعادل مي تواند در طول تركيبات حساس الكتريكي خنثي شود. الكتريسيته ساكن توليد شده توسط فوتوالكتريك توسط خودش محدود شده است. چون اشيا داراي بار الكتريكي زياد الكترون هايش را كم تر از دست مي دهد.
غبار هاي ماه
نور خورشيد مي تواند خاك ماه را داراي بار الكتريكي كند. آن گاه اين گرد و غبار باردار شده به خاطر بارش از خودش دور مي شود. اين يك جور از خاك را آشكار مي كند كه به صورت يك مه تيره از دور نمايان مي شود و وقتي كه خورشيد غروب كرد به صورت تابش تيره رنگي نمايان مي شود. اين مورد اولين بار در دهه 1960 معلوم شد. اين جور فكر كردند كه قطعات بسيار ريز تا ارتفاع چندكيلومتري بالا مي رود و ذرات به محض اين كه باردار و خنثي مي شوند به صورت فواره در مي آيند.
دستگاه هاي ديد در شب
فوتون ها يك آرسنيك گاليم را در دستگاه ديد در شب مورد هدف قرار مي دهند و موجب خروج فوتوالكترون مي شوند. بعد اين ها در يك آبشار از الكترون ها تقويت مي شوند و موجب روشن شدن فسفر مي شوند.
