ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก หมายถึง ปร

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก หมายถึง ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนในอะตอมของสสารถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อสสารดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นแสง) เช่น คลื่นอัลตราไวโอเลต คลื่นรังสีเอกซ์ เป็นต้น อิเล็กตรอนที่หลุดออกมา เรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน

ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีคลื่นแสงที่มีความถี่สูงกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ มาตกกระทบบนผิวโลหะ โดยที่โฟตอนจะถูกดูดซับเอาไว้ และอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกมาซึ่งสังเกตได้จากการพบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น หากคลื่นที่มาตกกระทบมีความถี่ต่ำกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ว่าความเข้มของคลื่นแสงจะมีค่ามากเท่าใดก็ตาม จะไม่ทำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้ เพราะพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับไม่มากพอที่จะชนะพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึกโลหะ (ฟังก์ชันงาน)


ประวัติอย่างย่อ

การทดลองของเลนาร์ด


ปี ค.ศ.1902 ฟิลิปป์ เลนาร์ด ศึกษาผลกระทบของความถี่คลื่นแสงต่อพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน โดยโฟกัสลำของรังสีแคโทดลงบนแผ่นโลหะบางภายในหลอดที่เกือบเป็นสุญญากาศเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมา แผ่นโลหะบางนี้เรียกว่า แผ่นปลดปล่อย

อิเล็กตรอนทั้งหมดที่เกิดขึ้นถูกรวบรวมไว้ที่แผ่นโลหะอีกแผ่นหนึ่งเรียกว่า แผ่นรวบรวม กระแสโฟโตอิเล็กทริกทั้งหมดวัดได้โดยใช้แอมป์มิเตอร์ ในการทดลอง เขาไม่ได้วัดค่ากระแสโฟโตอิเล็กทริกโดยตรง แต่ใช้วิธีต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สามารถปรับค่าได้ระหว่างแผ่นปลดปล่อยกับแผ่นรวบรวม

หลังจากนั้น เขาใส่ความต่างศักย์ต่อต้านเข้าไปเพื่อให้แผ่นรวบรวมมีศักย์เป็นลบเมื่อเทียบกับแผ่นปลดปล่อย เขาเพิ่มค่าความต่างศักย์ต่อต้านจนกระทั่งพบว่ากระแสโฟโตอิเล็กทริกมีค่าเป็นศูนย์ แล้วบันทึกค่าความต่างศักย์ต่อต้านสูงสุดที่อ่านได้ สำหรับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ถูกปล่อยจากผิวโลหะถูกควบคุมโดยปริมาณความเข้มหรือความสว่างของคลื่นแสง

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลอง


อิเล็กตรอนที่หลุดจากแผ่นปลดปล่อยจะมีพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง เมื่อเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ต่อต้านจะมีอันตรกิริยากับความต่างศักย์และสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเป็นศูนย์เมื่อความต่างศักย์ต่อต้านมีค่าสูงสุด ถ้าให้ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ต่อต้านเท่ากับ Vo พลังงานสูงสุดที่อิเล็กตรอนสูญเสียจะเท่ากับ eVo (ค่า e คือ ประจุของอิเล็กตรอน เท่ากับ 1.6021x10-19 คูลอมบ์) ซึ่งเป็นค่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน (K.E.max) นั่นเอง

จากการแปรค่าความถี่ของคลื่นแสงที่ตกกระทบ ฟิลิปป์ เลนาร์ด พบว่า ค่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่นแสงสูงขึ้น นั่นหมายความว่า ความต่างศักย์ต่อต้านที่จะทำให้ กระแสโฟโตอิเล็กทริกเป็นศูนย์สำหรับคลื่นอัลตราไวโอเลต(ความถี่สูง) ย่อมมีค่า้สูงกว่าคลื่นแสงสีน้ำเงิน(ความถี่ต่ำ) ส่วนจากการแปรความเข้มของคลื่นแสง พบว่าเมื่อเพิ่มความเข้มของคลื่นแสงเป็นสองเท่า จำนวนอิเล็กตรอนที่หลุดจากผิวโลหะเพิ่มเป็นสองเท่าเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ผลการทดลองของเลนาร์ดเป็นแค่เชิงคุณภาพ ไม่ใช่เชิงปริมาณ เนื่องจากการทดลองแบบนี้ต้องใช้ความระมัดระวังสูงเช่น แผ่นโลหะที่ใช้เมื่อตัดแล้วต้องรีบใช้ทันทีเพราะต้องมีความบริสุทธิ์สูง หากปล่อยทิ้งไว้แค่ไม่กี่นาที โลหะอาจถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย แม้ว่าอยู่ในหลอดที่เกือบเป็นสุญญากาศก็ตาม

ความจริงที่สำคัญยิ่ง คือ วันที่เลนาร์ดทำการทดลองเรื่องนี้ เขาไม่รู้จักโฟตอน !!!

คำอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเชิงฟิสิกส์ดั้งเดิม


ดังที่กล่าวแล้วว่า ในขณะนั้นเลนาร์ดยังไม่รู้จักโฟตอน ดังนั้นคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้จึงอาศัยทฤษฎีทางฟิสิกส์ดั้งเดิม กล่าวคือ อิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยจากผิวโลหะจะต้องค่อยๆสะสมพลังงานจากคลื่นแสงที่ตกกระทบ จนกระทั่งตัวมันเองมีพลังงานสูง พอจนชนะพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึกโลหะ แล้วดีดตัวออกมา หากเป็นตามทฤษฎีนี้จริง แปลว่า คลื่นแสงที่มีความเข้มมากกว่า (สว่างกว่า) ย่อมถ่ายเทพลังงานให้อิเล็กตรอนได้มากกว่า แต่จากผลการทดลองของเลนาร์ด พบว่าค่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วัดได้จากค่าความต่างศักย์ต่อต้าน ไม่ขึ้นกับความเข้มของคลื่นแสงเลย !! ขึ้นกับความถี่เท่านั้น นอกจากนี้ ยังพบอีกว่าหากค่าของความถี่ของคลื่นแสงน้อยกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ปรากฏว่ามีโฟโตอิเล็กตรอนเกิดขึ้น น่าประหลาดนะ

นี่ถือได้ว่า เป็นความล้มเหลวของฟิสิกส์เชิงคลาสสิก อย่างหนึ่ง

ไอน์สไตน์ - เสมียนจดสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ถูกต้องเป็นคนแรก
ปี ค.ศ.1905 หลังจากการทดลองของเลนาร์ด 3 ปี อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งในขณะนั้นคุ้นเคยกับปัญหาเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกและการแผ่รังสีของวัตถุดำ ตลอดจนผลงานอื่นๆของพลังค์เป็นอย่างดี เป็นผู้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ถูกต้องเป็นคนแรก ทำให้ในปี ค.ศ.1921 (16 ปีต่อมา) เขาได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานชิ้นนี้ !

เขาอธิบายว่า ก่อนสิ่งอื่นใด ต้องถือว่า คลื่นแสงประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคที่เรียกว่า "โฟตอน" จำนวนมากมาย แต่ละโฟตอนมีพลังงานขนาดเท่ากับ เมื่อคลื่นแสงตกกระทบผิวโลหะ (แผ่นปลดปล่อย) โฟตอนจะถ่ายเทพลังงานทั้งหมดให้ิือิเล็กตรอนทันที (ตามหลัก "ทั้งหมด หรือ ศูนย์") หากพลังงานก้อนนี้น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึก จะไม่เกิดโฟโตอิเล็กตรอน ถ้ามากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึก อิเล็กตรอนจะรับพลังงานก้อนนี้ทั้งก้อน โดยจะใช้พลังงานส่วนหนึ่งเพื่อให้ตัวเองหลุดจากการถูกยึดเหนี่ยว หลังจากนั้นจะค่อยๆสูญเสียพลังงานบางส่วนขณะเคลื่อนที่มายังพื้นผิวโลหะ เมื่อถึงพื้นผิวก็จะดีดตัวเองออกมาี่ด้วยความเร็วค่าหนึ่ง อิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงสุดในขณะหลุดจะเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้พื้นผิว

สมการของไอน์สไตน์เกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นดังนี้

หรือ

เมื่อ คือ ความถี่ของโฟตอน, คือ ความถี่ขีดเริ่ม, h คือ ค่าคงที่ของพลังค์, K.E.max คือ พลังงานจลน์สุงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน,
คือ พลังงานควอนตัม, คือ ฟังก์ชันงาน, e คือ ประจุของอิเล็กตรอน, V0 = ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ต่อต้าน

ข้อสังเกตุ :
โฟตอน 1 ตัวจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้ 1 ตัวเท่านั้นเพราะพลังงานทั้งหมดของโฟตอนจะถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว
พลังงานของโฟโตอิ

ผลลัพธ์ (อังกฤษ) 1:

The event appears four-dielectric refers to the phenomenon in electron atoms of matter is released when matter absorbs electromagnetic waves (waves of light), such as ultraviolet waves. Waves, x-rays, etc. Electrons emitted Also known as four-electron ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีคลื่นแสงที่มีความถี่สูงกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ มาตกกระทบบนผิวโลหะ โดยที่โฟตอนจะถูกดูดซับเอาไว้ และอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกมาซึ่งสังเกตได้จากการพบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น หากคลื่นที่มาตกกระทบมีความถี่ต่ำกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ว่าความเข้มของคลื่นแสงจะมีค่ามากเท่าใดก็ตาม จะไม่ทำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้ เพราะพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับไม่มากพอที่จะชนะพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึกโลหะ (ฟังก์ชันงาน)ประวัติอย่างย่อการทดลองของเลนาร์ด ปี ค.ศ.1902 ฟิลิปป์ เลนาร์ด ศึกษาผลกระทบของความถี่คลื่นแสงต่อพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน โดยโฟกัสลำของรังสีแคโทดลงบนแผ่นโลหะบางภายในหลอดที่เกือบเป็นสุญญากาศเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมา แผ่นโลหะบางนี้เรียกว่า แผ่นปลดปล่อย อิเล็กตรอนทั้งหมดที่เกิดขึ้นถูกรวบรวมไว้ที่แผ่นโลหะอีกแผ่นหนึ่งเรียกว่า แผ่นรวบรวม กระแสโฟโตอิเล็กทริกทั้งหมดวัดได้โดยใช้แอมป์มิเตอร์ ในการทดลอง เขาไม่ได้วัดค่ากระแสโฟโตอิเล็กทริกโดยตรง แต่ใช้วิธีต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สามารถปรับค่าได้ระหว่างแผ่นปลดปล่อยกับแผ่นรวบรวม หลังจากนั้น เขาใส่ความต่างศักย์ต่อต้านเข้าไปเพื่อให้แผ่นรวบรวมมีศักย์เป็นลบเมื่อเทียบกับแผ่นปลดปล่อย เขาเพิ่มค่าความต่างศักย์ต่อต้านจนกระทั่งพบว่ากระแสโฟโตอิเล็กทริกมีค่าเป็นศูนย์ แล้วบันทึกค่าความต่างศักย์ต่อต้านสูงสุดที่อ่านได้ สำหรับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ถูกปล่อยจากผิวโลหะถูกควบคุมโดยปริมาณความเข้มหรือความสว่างของคลื่นแสงผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลอง อิเล็กตรอนที่หลุดจากแผ่นปลดปล่อยจะมีพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง เมื่อเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ต่อต้านจะมีอันตรกิริยากับความต่างศักย์และสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเป็นศูนย์เมื่อความต่างศักย์ต่อต้านมีค่าสูงสุด ถ้าให้ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ต่อต้านเท่ากับ Vo พลังงานสูงสุดที่อิเล็กตรอนสูญเสียจะเท่ากับ eVo (ค่า e คือ ประจุของอิเล็กตรอน เท่ากับ 1.6021x10-19 คูลอมบ์) ซึ่งเป็นค่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน (K.E.max) นั่นเอง จากการแปรค่าความถี่ของคลื่นแสงที่ตกกระทบ ฟิลิปป์ เลนาร์ด พบว่า ค่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่นแสงสูงขึ้น นั่นหมายความว่า ความต่างศักย์ต่อต้านที่จะทำให้ กระแสโฟโตอิเล็กทริกเป็นศูนย์สำหรับคลื่นอัลตราไวโอเลต(ความถี่สูง) ย่อมมีค่า้สูงกว่าคลื่นแสงสีน้ำเงิน(ความถี่ต่ำ) ส่วนจากการแปรความเข้มของคลื่นแสง พบว่าเมื่อเพิ่มความเข้มของคลื่นแสงเป็นสองเท่า จำนวนอิเล็กตรอนที่หลุดจากผิวโลหะเพิ่มเป็นสองเท่าเช่นกัน
อย่างไรก็ตาม ผลการทดลองของเลนาร์ดเป็นแค่เชิงคุณภาพ ไม่ใช่เชิงปริมาณ เนื่องจากการทดลองแบบนี้ต้องใช้ความระมัดระวังสูงเช่น แผ่นโลหะที่ใช้เมื่อตัดแล้วต้องรีบใช้ทันทีเพราะต้องมีความบริสุทธิ์สูง หากปล่อยทิ้งไว้แค่ไม่กี่นาที โลหะอาจถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย แม้ว่าอยู่ในหลอดที่เกือบเป็นสุญญากาศก็ตาม

ความจริงที่สำคัญยิ่ง คือ วันที่เลนาร์ดทำการทดลองเรื่องนี้ เขาไม่รู้จักโฟตอน !!!

คำอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเชิงฟิสิกส์ดั้งเดิม


ดังที่กล่าวแล้วว่า ในขณะนั้นเลนาร์ดยังไม่รู้จักโฟตอน ดังนั้นคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้จึงอาศัยทฤษฎีทางฟิสิกส์ดั้งเดิม กล่าวคือ อิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยจากผิวโลหะจะต้องค่อยๆสะสมพลังงานจากคลื่นแสงที่ตกกระทบ จนกระทั่งตัวมันเองมีพลังงานสูง พอจนชนะพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึกโลหะ แล้วดีดตัวออกมา หากเป็นตามทฤษฎีนี้จริง แปลว่า คลื่นแสงที่มีความเข้มมากกว่า (สว่างกว่า) ย่อมถ่ายเทพลังงานให้อิเล็กตรอนได้มากกว่า แต่จากผลการทดลองของเลนาร์ด พบว่าค่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วัดได้จากค่าความต่างศักย์ต่อต้าน ไม่ขึ้นกับความเข้มของคลื่นแสงเลย !! ขึ้นกับความถี่เท่านั้น นอกจากนี้ ยังพบอีกว่าหากค่าของความถี่ของคลื่นแสงน้อยกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ปรากฏว่ามีโฟโตอิเล็กตรอนเกิดขึ้น น่าประหลาดนะ

นี่ถือได้ว่า เป็นความล้มเหลวของฟิสิกส์เชิงคลาสสิก อย่างหนึ่ง

ไอน์สไตน์ - เสมียนจดสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ถูกต้องเป็นคนแรก
ปี ค.ศ.1905 หลังจากการทดลองของเลนาร์ด 3 ปี อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งในขณะนั้นคุ้นเคยกับปัญหาเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกและการแผ่รังสีของวัตถุดำ ตลอดจนผลงานอื่นๆของพลังค์เป็นอย่างดี เป็นผู้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ถูกต้องเป็นคนแรก ทำให้ในปี ค.ศ.1921 (16 ปีต่อมา) เขาได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานชิ้นนี้ !

เขาอธิบายว่า ก่อนสิ่งอื่นใด ต้องถือว่า คลื่นแสงประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคที่เรียกว่า "โฟตอน" จำนวนมากมาย แต่ละโฟตอนมีพลังงานขนาดเท่ากับ เมื่อคลื่นแสงตกกระทบผิวโลหะ (แผ่นปลดปล่อย) โฟตอนจะถ่ายเทพลังงานทั้งหมดให้ิือิเล็กตรอนทันที (ตามหลัก "ทั้งหมด หรือ ศูนย์") หากพลังงานก้อนนี้น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึก จะไม่เกิดโฟโตอิเล็กตรอน ถ้ามากกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึก อิเล็กตรอนจะรับพลังงานก้อนนี้ทั้งก้อน โดยจะใช้พลังงานส่วนหนึ่งเพื่อให้ตัวเองหลุดจากการถูกยึดเหนี่ยว หลังจากนั้นจะค่อยๆสูญเสียพลังงานบางส่วนขณะเคลื่อนที่มายังพื้นผิวโลหะ เมื่อถึงพื้นผิวก็จะดีดตัวเองออกมาี่ด้วยความเร็วค่าหนึ่ง อิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงสุดในขณะหลุดจะเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้พื้นผิว

สมการของไอน์สไตน์เกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นดังนี้

หรือ

เมื่อ คือ ความถี่ของโฟตอน, คือ ความถี่ขีดเริ่ม, h คือ ค่าคงที่ของพลังค์, K.E.max คือ พลังงานจลน์สุงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน,
คือ พลังงานควอนตัม, คือ ฟังก์ชันงาน, e คือ ประจุของอิเล็กตรอน, V0 = ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ต่อต้าน

ข้อสังเกตุ :
โฟตอน 1 ตัวจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้ 1 ตัวเท่านั้นเพราะพลังงานทั้งหมดของโฟตอนจะถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว
พลังงานของโฟโตอิ

ผลลัพธ์ (อังกฤษ) 3:

The photoelectric effect refers to the phenomenon that the electrons in the atoms of substances released out when substances absorb electromagnetic waves. (), such as ultraviolet light wave wave wave, X-ray, etc., electron, come off.Photoelectron
.
.This phenomenon occurs only when there is the light waves with a frequency higher than the threshold frequency of metal, incident on a metal surface by the photon will be absorbed.If the wave frequency is lower than the incidence frequency threshold of metal. Whether the intensity of the light wave is much. Will not cause a photoelectron.(job function)
.



the brief history of Leonard


1990.1902 Philipp Lenard, to investigate the effects of frequency light waves to the kinetic energy of the photoelectron. The focus of the cathode ray beam onto a sheet of thin metal tube that is almost within the vacuum to release electronic Ron out, sheet metal, some paths is called.