house06.gif

 โฟโตอิเล็กตริก

 

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก

          เมื่อแสงที่มีความถี่เหมาะสมตกกระทบผิวหน้าของโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมา ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก และเรียกอิเล็กตรอนนั้นว่าโฟโตอิเล็กตรอน จากการศึกษาอย่างละเอียดพบว่า

  1. โฟโตอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นก็ต่อเมื่อแสงตกกระทบมีความถี่สูงกว่าค่าหนึ่งซึ่งเป็นค่าจำเพาะสำหรับสารนั้นๆ ความถี่ต่ำสุดที่มำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้นี้เรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม (threshold frequency)
  2. ถ้าใช้แสงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่ม พลังงานส่วนที่เกินนี้จะไปทำให้โฟโตอิเล็กตรอนมีพลังงานจลน์เพิ่มขึ้น ปรากฏว่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ขึ้นกับความเข้มของแสงนั้นๆ แต่ขึ้นกับความถี่
  3. จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนขึ้นกับความเข้มของแสง ถ้าลดความเข้มของแสงลง จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะลดลงด้วย

          ผลข้อ 2 ขัดกับทฤษฎีคลาสสิกของฟิสิกส์อย่างยิ่ง เพราะตามทฤษฏีดังกล่าว พลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนควรจะขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงโดยตรง ส่วนผลข้อ 3 นั้น ทฤษฎีคลาสสิกอธิบายไม่ได้เลย

          ในปี ค.ศ.1905 อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์(Albert Einstein)  สามารถอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตรอนนี้ได้อย่างถูกต้อง เขาเสนอว่าแสงควรมีคุณสมบัติเป็นอนุภาคได้ด้วย เรียกว่า โฟตอน(photon) และใช้ทฤษฏีของพลังค์กำหนดค่าพลังงานของโฟตอนนั้น กล่าวคือ อนุภาคแสง 1 โฟตอนที่มีความถี่ u มีพลังงาน Eu = hu คิดเป็น 1 ควอนตัม ค่าพลังงานของโฟตอนเป็นค่าเฉพาะสำหรับแสงที่มีความถี่หนึ่งๆ เท่านั้น ดังนั้นพลังงานของ 1 ควอนตัมของแสงสีแดง 1 โฟตอน มีค่าน้อยกว่าพลังงาน 1 ควอนตัมของแสงสีนำเงิน 1 โฟตอน (แสงสีน้ำเงินมีความถี่สูงกว่า)

คำอธิบายของไอน์สไตน์สำหรับผลการทดลองแต่ละข้อเป็นดังนี้

  1. ปัญหาของความถี่ขีดเริ่ม

    การที่จะดึงอิเล็กตรอนให้หลุดออกมาจากผิวหน้าโลหะได้ ต้องใช้พลังงานอย่างน้อยที่สุดเท่ากับแรงดึงดูดที่โลหะมีต่ออิเล็กตรอนนั้น จากทฤษฎีของพลังค์ พลังงานของแสงแต่ละชนิดขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นถ้าเขียนแทนความถี่ต่ำสุดว่า    umin   และแรงดึงดูดของอิเล็กตรอนว่า W (work function) ดังนั้น

     

    W = hu min



  2. ปัญหาพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจากแสงชนิดหนึ่งๆ

    ถ้าเราใช้แสงที่มีความถี่ u พลังงานของแสงคือ hu ( u  มากกว่า umin    ส่วนที่เหลือจะใช้เป็นพลังงานของอิเล็กตรอนนั้น ดังนั้น

     

    พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอน = h( u- umin)

     

    uminมีค่าคงที่สำหรับโลหะชนิดหนึ่งๆ ดังนั้นพลังงานจลน์สูงสุดจึงแปรผันโดยตรงกับ u

     

  3. ปัญหาความเข้มของแสงกับจำนวนโฟโตอิเล็กตรอน

    เนื่องจากความเข้มของแสงขึ้นอยู่กับพลังงานของแสงโดยตรง(ความเข้ม คือ พลังงานต่อหน่วยพื้นที่ต่อหน่วยเวลา) ถ้าให้พลังงานของแสงทั้งหมดที่ตกกระทบต่อหนึ่งหน่วยพื้นที่ของผิวหน้าโลหะเป็น  Er

    ดังนั้น

     

    จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบ = Et/hu

     

    และ

     

    จำนวนโฟตอนที่ตกกระทบต่อ 1 วินาที = I/hu


  • Et คือพลังงานของแสงทั้งหมดที่ตกกระทบ
  • hu คือ พลังงานของแสง 1 โฟตอน
  • I คือความเข้มของแสง

จากนี้ไอน์สไตน์ให้ข้อสมมุติฐานที่สำคัญอีกข้อหนึ่งว่า

"1 โฟตอนจะทำให้เกิด 1 โฟโตอิเล็กตรอนเท่านั้น"

 

จำนวนโฟโตอิเล็กตรอน a จำนวนโฟตอน a ความเข้มของแสง

 

          ผลงานของไอน์สไตน์ชิ้นนี้เป็นจุดเริ่มต้นของความคิดที่ว่า แสงมีสมบัติเป็นอนุภาคที่เรียกว่า โฟตอน นอกเหนือจากความเป็นคลื่นตามที่เคยทราบกันมาแต่ก่อน

                                                          

xmas03.gif

 


 

 

  การเรียนการสอนฟิสิกส์ 2  ผ่านทางอินเตอร์เน็ต  

1. ไฟฟ้าสถิต 2.  สนามไฟฟ้า
3. ความกว้างของสายฟ้า  4.  ตัวเก็บประจุและการต่อตัวต้านทาน 
5. ศักย์ไฟฟ้า 6. กระแสไฟฟ้า 
7. สนามแม่เหล็ก  8.การเหนี่ยวนำ
9. ไฟฟ้ากระแสสลับ  10. ทรานซิสเตอร์ 
11. สนามแม่เหล็กไฟฟ้าและเสาอากาศ 

12. แสงและการมองเห็น

13. ทฤษฎีสัมพัทธภาพ 14. กลศาสตร์ควอนตัม
15. โครงสร้างของอะตอม 16. นิวเคลียร์ 

 

 

กลับสู่หน้าแรกของโฮมเพจฟิสิกส์ราชมงคล

 

 

ครั้งที่

เซ็นสมุดเยี่ยม

การเรียนฟิสิกส์ 2 ผ่านทางอินเตอร์เน็ต