پدیده فوتوالکتریک

ولتاژ معکوس در اثر فوتوالکتریک به زبان ساده!

زمان مطالعه: ۳ دقیقه

می خواهیم بدانیم اگر ولتاژ V را معکوس کنیم، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

اگر جهت ولتاژ اعمال شده را معکوس کنیم در حالیکه الکترود تحت تابش نور فرودی را تغییر نداده ایم، با افزایش ولتاژ در این حالت که ولتاژ معکوس نامیده می شود باعث کاهش جریان خواهد شد. اما چرا؟

چون با عکس کردن V، وارد مقادیر منفی پتانسیل شده ایم و پتانسیل الکترود A که تحت تابش قرار دارد، بیشتر شده و بدین ترتیب نیروی وارد شده از میدان الکتریکی میان دو الکترود به فوتوالکترون های جدا شده از الکترود A آن ها را به سمت الکترود A سوق می دهد. در نتیجه حرکت فوتوالکترون ها به سمت الکترود B سخت شده و با افزایش مقدار ولتاژ معکوس، سخت تر و سخت تر هم شد. تا جایی که هیچ فوتوالکترونی نمی تواند به الکترود B برسد و در نهایت جریان قطع خواهد شد.

به ولتاژی که در آن جریان قطع شده است، ولتاژ قطع یا ولتاژ متوقف کننده گفته می شود.

اما مقدار V۰ به چه عواملی بستگی دارد؟

  1. به جنس فلز A بستگی دارد.
  2. به بسامد نور فرودی وابسته است. با افزایش بسامد نور فرودی، ولتاژ قطع نیز افزایش می یابد.
  3. از حجم نور فرودی، یعنی شدت روشنایی مستقل است. یعنی طبق فیزیک کلاسیک انتظار داشتیم با افزایش شدت روشنایی در ولتاژ قطع، جریان برقرار شود اما این اتفاق نیفتاد.

محاسبات انرژی در حالت V معکوس

در این حالت فوتوالکترون در راه رسیدن به صفحه B، حرکت کندشونده دارد زیرا نیروی حاصل از میدان الکتریکی با حرکت الکترون به سمت الکترود B مخالفت می کند. پس از انرژی جنبشی فوتوالکترون کاسته شده و بر انرژی پتانسیل آن افزوده می شود.

پس اگر محاسبه انرژی را برای این حالت نیز انجام دهیم، خواهیم داشت:

KA – KB = eV

یعنی در این حالت، KA > KB

اگر پتانسیل V۰  یعنی پتانسیل توقف برقرار باشد، هیچ فوتوالکترونی نمی تواند به الکترود B برسد حتی پرانرژی ترین آن ها.

پر انرژی ترین فوتوالکترون تولید شده در الکترود A، دارای انرژی جنبشی KA = Kmax است. زمانی که این فوتوالکترون به صفحه B نزدیک می شود، باید سرعتش صفر شده و شروع به برگشتن به سمت الکترود A کند.

یعنی داریم:

KB = ۰

طبق روابطی که به دست آوردیم:

Kmax – ۰ = eV۰

Kmax = eV۰

این رابطه بسیار مهم و کاربردی است. چرا که V۰ یا ولتاژ توقف را که از آزمایش به دست آورده ایم، در این رابطه جایگذاری کرده و مقدار Kmax  را که به طور مستقیم قابل اندازه گیری نیست و یک کمیت میکروسکوپیک است، را به دست می آوریم.

یعنی انرژی جنبشی بیشینه فوتوالکترون ها به V۰ بستگی دارد. و چون V۰ از حجم یا شدت نور مستقل بود، در نتیجه Kmax نیز از شدت نور مستقل خواهد بود.

اما V۰ یک کمیت ماکروسکوپیک است که به سادگی و با ولتمتر قابل اندازه گیری است. به این صورت که باطری را افزایش می دهیم، عدد عقربه آمپرمتر را یادداشت می کنیم، هر زمان جریان به مقدار صفر رسید، مقدار ولتاژ را از روی ولتمتر یادداشت می کنیم که مقدار ولتاژ توقف خواهد بود.

مشکلات فیزیک کلاسیک با پدیده فوتوالکتریک

  • V۰ و در نتیجه Kmax از حجم نور مستقل است.

در واقع طبق فیزیک کلاسیک می بایست با افزایش حجم نور فرودی، انرژی بیشتری به فوتوالکترون ها منتقل می شد. چیزی که به هیچ عنوان در آزمایشات انجام رفته مشاهده نشد.

اگر بسامد نور فرودی در یک دستگاه خاص با جنس الکترود معین از یک بسامد معین کمتر باشد، پدیده فوتوالکتریک رخ نمی دهد. حتی اگر حجم نور فرودی را (با افزایش دامنه) زیاد کنیم.

فیزیک کلاسیک قادر به توضیح این دو پدیده نبود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *