اثرفوتوالكتريك يك پديده ي الكترونيك كوانتومي استكه الكترون ها از ماده بعد از گرفتن انرژي از تشعشعات الكترومغناطيسيمانند اشعه ي X يا نور مرئي، جدا مي شوند. در اين مبحث الكترون هاي جداشده را مي توان به عنوان فوتوالكترون ها مربوط دانست. اين پديده را بهخاطر اين كه هنريش رادولف هرتز اين را كشف كرد، اثر هرتز هم مي نامند هرچند كه اين مورد به كلي خارج از استفاده ماند.

مطالعه ي اثرفوتوالكتريك ما را به قدم هايي مهم در درك خاصيت كوانتومينور و الكترون ها هدايت مي كند و به شكل مفاهيم دو گانگي موج-ذره اعتبارمي بخشد. اين بخش هم ممكن است به اثر فوتورسانايي يا اثر فوتو ولتائيك يافوتوالكتروشيمي مربوط شود.

معرفي--------------------------------------------------------------------------
وقتي كه يك سطح فلزي در معرض فركانسي بالاتر از حد معيني از تابش هايالكترومغناطيسي قرار گيرد، نور جذب مي شود و الكترون ها جدا مي شود. درسال 1902 فيليپ ادوارد وان لنارد، متوجه شد كه انرژي الكترون هاي جدا شدهبا افزايش فركانس يا رنگ نور تابشي افزايش مي يابد. اين با تئوري جيمزكلرك ماكسول كه تبيين مي كرد كه انرژي با شدت تابش متناسب است، در تناقضبود. در سال 1905 آينشتين اين تناقض را با توصيف نور به عنوان تكه هايكوانتومي 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 هركوانتوم از نور برابر است با فركانس آن ضرب در يك ثابت كه بعدها ثابتپلانك ناميده شد. يك فوتون بالاتر از يك حد آستانه مي تواند يك الكترون راجدا كند و آن اثر را ايجاد كند. اين كشف موجب يك انقلاب در فيزيك كوانتوميشد و به خاطر همين جايزه نوبل سال 1921 را به آينشتين بابت اين كشف اودادند.

توضيح-------------------------------------------------------------------------------------------
فوتون هاي پرتوهاي نور يك مشخصه انرژي دارند كه توسط فركانس نور معينمي شود. در جريان خروج الكترون از فلز، اگر انرژي دريافتي الكترون ازفوتون بيش تر از تابع كار آن باشد آن گاه فوتون از فلز خارج مي شود. و اگرهم 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 نتيجهالكترون هاي بيش تري خارج مي شوند، بدون اين كه انرژي هر الكترون بيش ترشود. بنابراين انرژي الكترون خارج شده به شدت نور ورودي بستگي ندارد بلكهفقط به انرژي انفرادي فوتون ها بستگي دارد.
الكترون ها وقتي كه منتشر شدند مي توانند انرژي را از فوتون دريافتكنند ولي از قاعده ي "همه يا هيچ" پيروي مي كنند. تمام انرژي يك فوتون ميبايستي براي آزادسازي يك الكترون از بند اتم مصرف شود يا دوباره ساتع ميشود. اگر انرژي فوتون دريافت شود، مقداري از انرژي صرف آزادسازي الكترونمي شود و مابقي آن به انرژي جنبشي الكترون به عنوان يك الكترون آزاد تبديلمي 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 ازآن 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:






كه:

h ثابت پلانك، f فركانس نور برخوردي، تابع كار است( برخي مواقع باwنشان مي دهند)، كم ترين مقدار انرژي لازم براي جدا كردن الكترون جدا شدهاز سطح فلز

بيش ترين مقدار انرژي جنبشي الكترون جدا شده است

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 منفيداشته باشد، معادلات نشان مي دهند كه اگر انرژي فوتون از تابع كار كم ترباشد، هيچ الكتروني جدا نخواهد شد.
با توجه به نظريه نسبيت خاص آينشتين رابطه ي بين انرژيE و تكانهP يكذره برابر است با: 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 آمدناثرauger شود كه حتي در زماني كه الكترون ها از ماده خارج نمي شود هم قابلرويت هست. در جامدهاي ملكولي، فوتون ها در اين مرحله برانگيخته مي شوند وممكن است به شكل خطي در آخرين تراز انرژي الكترون قابل رويت باشند. اثرفوتوالكتريك دروني مجبور است كه دو قطبي شود. قوانين جابه جايي براي اتمها توسط مدل tight-binding در كريستال ها تبيين مي شود. از لحاظ هندسي بهنوسان 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. تماماين راه ها مي تواند به صورت فرمول بندي انتگرالي راه شناخته شود. برايقسمت سطح و ملكول ها، مدل سه مرحله اي بازهم مقداري درك در اين مورد ميسازد هرچند كه اتم ها چندين الكترون دارند كه هر كدام مي توانند خروجالكترون را پراكنده كند.

تاريخ-----------------------------------------------------------------------------
در سال 1839 الكساندر ادموند بيكيورل اثر فوتوالكتريك را با قرار دادننور بر روي الكترودي در يك محلول رسانا مشاهده كرد. در سال1873 ويلوبياسميت متوجه شد كه سلنيوم يك فوتورسانا هست.

دهانه جرقه هرتز
در سال 1887 هنريش هرتز اثر فوتوالكتريك و توليد و دريافت موج هايالكترومغناطيسي را مشاهده كرد. او اين مشاهدات را در نشريه Annalen derPhysik منتشر كرد. دريافت كننده ي او از يك سيم پيچ و يك دهانه جرقه تشكيلشده بود كه جرقه به صورت موج الكترومغناطيسي ديده مي شد. او دستگاه را دريك جعبه ي تاريك گذاشت تا جرقه را بهتر ببيند هرچند كه مي دانست طول موججرقه در جعبه كاهش پيدا خواهد كرد. يك تخته ي شيشه اي بين منبع امواجالكترومغناطيسي و دريافت كننده قرار داد تا تابش هاي فرابنفش كه بهالكترون ها كمك مي كند تا از شكاف بپرند را جذب كند. وقتي كه اين تختهبرداشته شد طول موج جرقه بيش تر شد. او وقتي كه كوارتز را به جاي شيشهگذاشت هيچ گونه كاهش طول موجي را در جرقه نديد باوجود اين كه كوارتزپرتوهاي فرابنفش را جذب نمي كند. هرتز از ماه ها تحقيقاتش نتيجه گيري كردو نتايج به دست آورده را گزارش داد. او تحقيقات در مورد اين اثر را ادامهنداد 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. باتوجه به كار جيمز كلرك ماكسول، تامسون استنباط كرد كه اشعه ي كاتدي ازذرات باردار منفي تشكيل شده است كه ّبعدها الكترون ناميده شد كه او آن راذرات ناميد. در آزمايشات تامسون يك بشقاب فلزي (كاتد) را درون يك لوله يخلا قرار داد و آن را در معرض تابش هاي با فركانس بالا قرار داد. اين طورفكر كردند كه ميدان نوسان كننده موج الكترومغناطيسي باعث برانگيختن اتم ميشود و وقتي كه اتم به يك حد خاصي رسيد آن گاه شروع به انتشارذرات(الكترون) مي كند و مي توان جريان را آشكار كرد. اين مقدار با تغييرشدت و رنگ تابش فرق مي كرد. تابش با شدت يا فركانس بيش تر جريان بيش تريرا توليد مي كرد.
انرژي تابشي

انرژي تابشي
نيكولا تسلا اثر فوتوالكتريك را در سال 1901 توصيف كرد. او تابش ها رابه صورت نوسان اتر طول موج هاي كوچك كه اتمسفر را يونيزه كرده اند توصيفكرد. در 5 نوامبر 1901 دستگاه US685957 كه براي استفاده انرژي تابش بود رااختراع و ثبت كرد. اين دستگاه بار دار كردن و خنثي كردن رساناها(مانند يكبشقاب فلزي يا قطعه اي از ميكا) به وسيله ي تابيدن را توضيح مي داد. تسلااز اين اثر و با استفاده از يك بشقاب فلزي رسانا براي باردار كردن خازناستفاده كرد. انرژي تابشي با سرعت بسياري ذرات ريزي (الكترون) را كه دارايبار الكتريكي زيادي است را به بيرون پرتاب مي كرد. اختراع مشخص مي كرد كهتابش( انرژي تابشي) شامل شكل هاي مختلفي بود. اين دستگاه ها به عنوان "پلهكردن جريان متناوب فوتوالكتريك" مي شناختند.

در واقع يك فلز براق توسط انرژي تابشي با بيرون رفتن الكترون ها دارايبار مثبت مي شد. وقتي كه بشقاب داراي بار مثبت مي شد، الكترون ها شكل يكنيروي الكترواستاتيكي را روي بشقاب ايجاب مي كردند (به علت انتشارفوتوالكترون از سطح) و بارهاي منفي خازن ها را جريان مي دادند. به محض اينكه پرتوها بر روي رساناهاي عايق شده (كه به يك خازن وصل شده بود) فرود ميآمدند، خازن تا مقدار نامعيني شارژ مي شد.

مشاهدات وان لنارد
در سل 1902 فيليپ ادوارد آنتون وان لنارد با فركانس نور اختلافاتي رادر انرژي الكترون ها مشاهده كرد. او از يك لامپ قوسي الكتريكي استفاده كردكه به او اجازه مي داد تا تغييرات زياد را در شدت را بررسي كند و قدرتلازم را براي بررسي تغييرات پتانسيل بافركانس نور را به او مي داد. آزمايشاو مستقيما پتانسيل را اندازه مي گرفت، نه انرژي جنبشي الكترون: او انرژيالكترون را با توجه به بيش ترين مقدار پتانسيل (ولتاژ) در يك لامپنور-برقي(فوتوتيوب) به دست آورد. او دريافت كه بيش ترين انرژي جنبشيمحاسبه شده با توجه به فركانس نور مشخص شده است. براي مثال براي آزاد سازيالكترون با افزايش فركانس، بيشينه ي انرژي جنبشي هم افزايش پيدا مي كرد.پرتوهاي فرابنفش يك مقدار بيش تري پتانسيل ايستايي براي متوقف كردن جرياندر يك لامپ نور-برقي نسبت به نور آبي نياز دارد. هر چند كه به خاطر سختيانجام آزمايش نتايج لنارد بيش تر كيفي بود تا كمي. آزمايشات به قطعه اي ازفلز خالصي نياز داشت كه به خوبي پيدا مي شد ولي در عرض چند دقيقه اكسيدهمي شدند حتي در برخي مواقع كه در خلا هم استفاده مي شد. جريان خارج شده ازسطح توسط شدت نور يا روشنايي مشخص مي شد: دو برابر شدن شدت نور به معنايدو برابر شدن تعداد الكترون هاي جدا شده بود. لنارد از فوتون ها چيزينفهميده بود.

آينشتين: كوانتوم هاي نور
توضيحات رياضياتي آلبرت آينشتين در مورد چگونه اثرفوتوالكتريك از جذبكوانتوم هاي نور(كه اكنون فوتون ناميده مي شود) موجب مي شود، در سال 1905در مقاله اي به نام "يك ايده ي ذهني در مورد توليد و انتقال نور"منتشركرد. اين مقاله شكل ساده ي "نور كوانتومي" يا همان فوتون، را پيشنهاد ميداد و نشان مي داد كه آن ها چگونه باعث بروز برخي پديده ها مانندفوتوالكتريك مي شد. توضيح ساده ي او بر حسب دريافت كوانتوم هاي تكي ازنور، شكل پديده و صفات فركانس را توضيح مي داد. توضيح آينشتين در مورد اثرفوتوالكتريك 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 هايهرتزي فقط در حالتي مي توانند وجود داشته باشند كه انرژي با فركانس نوساندهنده متناسب باشد يعني E=H، كه h ثابت پلانك است، آغاز شد. با فرض اين كهنور واقعا از تكه هاي انرژي جداگانه تشكيل شده است، آينشتين يك معادلهبراي اثر فوتوالكتريك نوشت كه براي آزمايش متناسب است (اين توضيح مي دادكه چرا انرژي فوتوالكترون ها به فركانس ورودي بستگي داردنه شدت آن: شدت كمو 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 كردنالكترون تامين كند.) اين يك جهش بزرگ نظري بود و حقيقت وجود كوانتوم هاينوري به خوبي استقامت پيدا كرد. ايده ي كوانتومي بودن نور با نظريه ي موجينور كه طبيعتا از معادلات جيمز ماكسول براي رفتار الكترومغناطيسي پيروي ميكرد، در تناقض بود در مورد فرض كردن تقسيم بي نهايتي نور در سيستم هايفيزيكي. حتي بعد ها آزمايشات هم درستي معادلات آينشتيتن را نشان دادند وبا معادلات ماكسول كه تصحيح و فهميده شده بود در تناقض بود.
كار آينشتين پيش بيني كرد كه انرژي الكترون خارج شده با فركانس نوربه صورت خطي افزايش مي يابد. احتمالا تا آن زمان هنوز امتحان نشده بودهاست. در سال 1905 متوجه شدند كه انرژي فوتوالكترون ها با افزايش فركانسنور افزايش مي يابد نه شدت نور.
تا سال 1915 به صورت عملي اين موضوع كه شكل افزايش به صورت خطي استمشخص نشده بود تا اين كه رابرت ميليكان نشان داد كه حق با آينشتين بودهاست.

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 انرژيفوتون هاي خارجي به شدت نور واردي بستگي نداشت. نظريه كلاسيك پيش بيني ميكرد 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 درمورد 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 نورياز شكل مختلف اثرفوتوالكتريك استفاده مي كند ولي از ماده الكترون خارج نميكند. در نيمه رساناها، نور حتي كم انرژي آن مانند فوتون هاي مرئي ميتوانند 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 ولتاژيمتناسب با شكاف نواري انرژي توليد كنند.

حس گرهاي عكس
در روزهاي اوليه ي تلويزيون لوله هاي دوربين عكاسي از اثرفوتوالكتريكاستفاده 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 كاربرددارد، آن ها بر پايه يك شكل ديگر از اثرفوتوالكتريك بنا شده اند كه فوتونها، الكترون ها را از نوار والانسشان در نيمه رساناه بيرون مي كنند، والبته نه از خود جامد.

الكتروسكوپ ورقه ي طلايي
الكتروسكوپ هاي ورقه طلا براي شناسايي الكتريسيته ي ساكن طراحي شدهاند. الكتروسكوپ ها در شرح اثر فوتوالكتريك بسيار مهم اند. بگذاريد بگوييمكه الكتروسكوپ داراي بار منفي است. الكترون هايي اضافي وجود دارند و ورقهها از هم دور شده اند. حال اگر ما يك نور با فركانس بالا را روي كلاهكالكتروسكوپ بتابانيم، الكتروسكوپ خنثي مي شود و ورقه ها مي افتند. اين بهاين علت است كه فركانس تابشي از فركانس آستانه ي كلاهك بيش تر است. فوتونهاي موجو در نور انرژي لازم را براي آزاد سازي الكترون ها دارند و بارمنفي آن ها را كم تر كند. اين يك راه براي خنثي كردن يك الكتروسكوپ دارايبار منفي است و اگر پيش تر برويم، دادن بار مثبت به آن.
اگر تابش الكترومغناطيسي ما فركانس كافي را براي آزاد سازي الكترون ها رانداشته باشد آن گاه هيچ گاه الكتروسكوپ خنثي نمي شود حتي اگر مدت زيادي همنور را بر روي كلاهك بگيريم.

طيف بيني فوتوالكترون
از آن جايي كه انرژي فوتوالكترون خارج شده برابر است با انرژي فوتونورودي منهاي تابع كار ماده يا همان انرژي پيوندي، تابع كار يك نمونه را ميتوان با بمباران كردن توسط منبع تكفام اشعه ي ايكس يا منبع تابش فرابنفش واندازه 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 خورشيداست داراي بار مثبت شود. اين مي تواند به ده ها ولت برسد. اين مي تواند بهيك مشكل بزرگ تبديل شود و منطقه ي در سايه را داراي بار منفي كند(بالايچند كيلو ولت). عدم تعادل مي تواند در طول تركيبات حساس الكتريكي خنثيشود. الكتريسيته ساكن توليد شده توسط فوتوالكتريك توسط خودش محدود شدهاست. چون اشيا داراي بار الكتريكي زياد الكترون هايش را كم تر از دست ميدهد.

غبار هاي ماه
نور خورشيد مي تواند خاك ماه را داراي بار الكتريكي كند. آن گاه اينگرد و غبار باردار شده به خاطر بارش از خودش دور مي شود. اين يك جور ازخاك را آشكار مي كند كه به صورت يك مه تيره از دور نمايان مي شود و وقتيكه خورشيد غروب كرد به صورت تابش تيره رنگي نمايان مي شود. اين مورد اولينبار در دهه 1960 معلوم شد. اين جور فكر كردند كه قطعات بسيار ريز تاارتفاع چندكيلومتري بالا مي رود و ذرات به محض اين كه باردار و خنثي ميشوند 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 ميدهند و موجب خروج فوتوالكترون مي شوند. بعد اين ها در يك آبشار از الكترونها تقويت مي شوند و موجب روشن شدن فسفر مي شوند.



--------------------------------------------------------------------------------

* منبع مقاله:[برای مشاهده لینک ها شما باید عضو سایت باشید برای عضویت در سایت بر روی اینجا کلیک بکنید]


--------------------------------------------------------------------------------

* ترجمه و ارسال: "محمد نيك" - از اعضاي تيم علمي - تخصصي مترجمين هوپا