ناتوانی فیزیك كلاسیك در توجیه پدیده فوتوالكتریك

[parisa]

این پدیده در اواخر قرن نوزدهم مشاهده شد. طبق فیزیك كلاسیك درباره این پدیده چنین می‌توان گفت: نور از جنس امواج الكترومغناطیس است و هنگام برخورد به سطح فلز میدان الكتریكی آن به الكترون‌ها نیروی

وارد می‌كند، بر اثر این نیرو الكترون‌ها شتاب می‌گیرند.

​

در این حالت انرژی جنبشی بعضی الكترون‌ها به حدی افزایش می‌یابد كه می‌توانند خود را از قید اتم‌های فلز خلاص كرده و به بیرون فلز راه یابند، همانند موقعی كه شما سنگی را به سمت آسمان پرتاب می‌كنید و در این فكر هستید كه چگونه می‌توان سنگ را طوری پرتاب كرد كه از قید جاذبه گرانش زمین خلاص شود.

​

البته می‌دانید كه انجام این كار با دست امكان پذیر نیست (ولی فضاپیماها با سرعت و انرژی كه از سوختن سوخت خود می‌گیرند می‌توانند خود را از جاذبه گرانشی زمین خارج كنند).
طبق قانون فیزیك كلاسیك می‌توانیم قضیه كار و انرژی را برای فوتوالكترون‌های دستگاه فوتوالكتریك استفاده كنیم. طبق شكل زیر اگر الكترون‌ها هنگام جدا شدن از الكترود A انرژی جنبشی K[SUB]A[/SUB] و هنگام رسیدن به الكترود B انرژی جنبشی K[SUB]B[/SUB] را داشته باشند آنگاه می‌توان گفت:

كار كل برابر تغییرات انرژی جنبشی: W[SUB]t[/SUB] = K[SUB]B[/SUB] - K[SUB]A[/SUB]​

اگر اختلاف پتانسیل بین دو الكترود A و B برابر V باشد آنگاه كار نیروی الكتریكی روی الكترون برابر است با: W[SUB]t[/SUB] = eV

طبق دو رابطه قبل می‌توان گفت: eV = K[SUB]B[/SUB] - K[SUB]A[/SUB]

چگونه می‌توان حداكثر انرژی جنبشی الكترون‌ها هنگام خارج شدن از سطح فلز را به دست آورد؟

راهنمایی و حل:


در بحث ولتاژ متوقف كننده دیدیم كه وقتی ولتاژ بین دو الكترود برابر ولتاژ متوقف كننده شود. دیگر الكترونی به الكترود B نمی رسد در حالی‌كه اگر ولتاژ كمی بیشتر از ولتاژ متوقف كننده باشد آنگاه الكترون‌ها به الكترود B می رسند.


بنابراین می‌توان نتیجه گرفت كه وقتی ولتاژ برابر ولتاژ متوقف كننده است الكترون‌ها خود را تا نزدیكی الكترود B می رساند و برمی‌گردند به عبارتی وقتی به نزدیك الكترود B می‌رسند سرعت و انرژی جنبشی آن ها صفر می‌شود یعنی: K[SUB]B[/SUB] = 0
پس طبق رابطه قبلی داریم:

​

بنابراین با داشتن ولتاژ متوقف كننده می‌توان به حداكثر انرژی جنبشی كه الكترون‌ها پیدا می‌كنند، پی برد.

همان طور كه دیدید در این موارد فیزیك كلاسیك با این پدیده مشكل ندارد، بلكه خیلی جالب نتایج آن را تجزیه و تحلیل می‌كند. ولی اگر كمی صبر كنید خواهید دید كه در قدم‌های بعدی فیزیك كلاسیك در توجیه نتایج تجربی این پدیده ناتوان خواهد بود. فیزیك كلاسیك در سه مورد از نتایج تجربی پدیده فوتوالكتریك در می‌ماند كه با توجّه به سطح كتاب به دو مورد آن اشاره می‌شود.

​

1- طبق قوانین فیزیك كلاسیك موج الكترومغناطیس دارای میدان الكتریكی است و افزایش انرژی موج الكترومغناطیس باعث افزایش میدان الكتریكی می‌شود، بنابراین افزایش انرژی موج الكترومغناطیس باید باعث افزایش حداكثر انرژی جنبشی فوتوالكترون‌ها شود در حالی‌كه طبق رابطه قبل K[SUB]max[/SUB] = eV[SUB]0[/SUB] حداكثر انرژی جنبشی فوتوالكترون‌ها به ولتاژ متوقف كننده بستگی دارد اما همانطور كه در نمودارهای قبلی دیدید ولتاژ متوقف كننده مستقل از مقدار انرژی ورودی است و فقط به بسامد نور بستگی دارد.

2- طبق قوانین فیزیك كلاسیك اگر انرژی نور برای جدا كردن الكترون از سطح فلز (الكترود A ) كافی باشد باید نور با هر بسامدی بتواند از سطح فلز الكترون بكند در حالی‌كه طبق مطالب قبلی دیدید اگر بسامد نور كمتر از بسامد قطع باشد پدیده فوتوالكتریك اتفاق نمی‌افتد.

مرکز یادگیری سایت تبیان - تهیه: محسنی