اثرفوتوالکتریک

اثرفوتوالکتریک یک پدیده ی الکترونیک کوانتومی است که الکترون ها از ماده بعد از گرفتن انرژی از تشعشعات الکترومغناطیسی مانند اشعه ی X یا نور مرئی، جدا می شوند. در این مبحث الکترون های جدا شده را می توان به عنوان فوتوالکترون ها مربوط دانست. این پدیده را به خاطر این که هنریش رادولف هرتز این را کشف کرد، اثر هرتز هم می نامند هر چند که این مورد به کلی خارج از استفاده ماند.

مطالعه ی اثرفوتوالکتریک ما را به قدم هایی مهم در درک خاصیت کوانتومی نور و الکترون ها هدایت می کند و به شکل مفاهیم  دو گانگی موج-ذره اعتبار می بخشد. این بخش هم ممکن است به اثر فوتورسانایی یا اثر فوتو ولتائیک یا فوتوالکتروشیمی مربوط شود.

معرفی--------------------------------------------------------------------------
وقتی که یک سطح فلزی در معرض فرکانسی بالاتر از حد معینی از تابش های الکترومغناطیسی قرار گیرد، نور جذب می شود و الکترون ها جدا می شود. در سال 1902 فیلیپ ادوارد وان لنارد، متوجه شد که انرژی الکترون های جدا شده با افزایش فرکانس یا رنگ نور تابشی افزایش می یابد. این با تئوری جیمز کلرک ماکسول که تبیین می کرد که انرژی با شدت تابش متناسب است، در تناقض بود. در سال 1905 آینشتین این تناقض را با توصیف نور به عنوان تکه های کوانتومی جدا از هم ، که فوتون نامیده شد، به جای موج های پیوسته حل کرد. با توجه به تئوری تابش جسم سیاه ماکس پلانک، آینشتین گفت که انرژی هر کوانتوم از نور برابر است با فرکانس آن ضرب در یک ثابت که بعدها ثابت پلانک نامیده شد. یک فوتون بالاتر از یک حد آستانه می تواند یک الکترون را جدا کند و آن اثر را ایجاد کند. این کشف موجب یک انقلاب در فیزیک کوانتومی شد و به خاطر همین جایزه نوبل سال 1921 را به آینشتین بابت این کشف او دادند.

توضیح-------------------------------------------------------------------------------------------
فوتون های پرتوهای نور یک مشخصه انرژی دارند که توسط فرکانس نور معین می شود. در جریان خروج الکترون از فلز، اگر انرژی دریافتی الکترون از فوتون بیش تر از تابع کار آن باشد آن گاه فوتون از فلز خارج می شود. و اگر هم انرژی کم تر از تابع کار باشد الکترون نمی تواند از سطح فلز خارج شود. افزایش شدت پرتوی نور، تعداد فوتون های یک پرتو را موجب می شود و در نتیجه الکترون های بیش تری خارج می شوند، بدون این که انرژی هر الکترون بیش تر شود. بنابراین انرژی الکترون خارج شده به شدت نور ورودی بستگی ندارد بلکه فقط به انرژی انفرادی فوتون ها بستگی دارد.
الکترون ها وقتی که منتشر شدند می توانند انرژی را از فوتون دریافت کنند ولی از قاعده ی "همه یا هیچ" پیروی می کنند. تمام انرژی یک فوتون می بایستی برای آزادسازی یک الکترون از بند اتم مصرف شود یا دوباره ساتع می شود. اگر انرژی فوتون دریافت شود، مقداری از انرژی صرف آزادسازی الکترون می شود و مابقی آن به انرژی جنبشی الکترون به عنوان یک الکترون آزاد تبدیل می شود.

نتایج تجربی انتشار فوتوالکتریک

1.برای یک فلز و تابش فرودی، میزان این که چه مقدار الکترون خارج شده است مستقیما با شدت نور متناسب است.

2.برای یک فلز معین، یک مقدار معینی از فرکانس وجو دارد که کم تر از آن هیچ گونه الکترونی جدا نمی شود که به این فرکانس، فرکانس آستانه (Threshold Frequency)می گویند.

3. بالاتر از فرکانس آستانه، مقدار انرژی جنبشی فوتوالکترون جدا شده به فرکانس نور واردی بستگی دارد نه شدت نور

4.مدت زمان بین برخورد تابش و انتشار فوتوالکترون بسیار کم است، کم تر از ده به توان منفی نه ثانیهمی باشد.

معادلات
در آنالیز کردن اثر فوتوالکتریک،برحسب روش آینشتین این معادلات استفاده می شود:
انرژی فوتون= انرژی مورد نیاز برای جدا کردن الکترون + انرژی جنبشی الکترون جدا شده. که
به این صورت نمایش می دهند:

<!--[if !vml]--><!--[endif]-->

که:

h ثابت پلانک، f فرکانس نور برخوردی، تابع کار است( برخی مواقع باw نشان می دهند)، کم ترین مقدار انرژی لازم برای جدا کردن الکترون جدا شده از سطح فلز

بیش ترین مقدار انرژی جنبشی الکترون جدا شده است

 f0فرکانس آستانه برای انجام اثرفوتوالکتریک است.

mمقدار جرم باقی مانده از الکترون جدا شده است

v_m سرعت الکترون جدا شده

به خاطر این مسئله که الکترون جدا شده نمی تواند انرژی جنبشی منفی داشته باشد، معادلات نشان می دهند که اگر انرژی فوتون از تابع کار کم تر باشد، هیچ الکترونی جدا نخواهد شد.
با توجه به نظریه نسبیت خاص آینشتین رابطه ی بین انرژیE و تکانهP یک ذره برابر است با: که mجرم باقی مانده ی ذره و c سرعت نور در خلا است.

 مدل سه پله ای
اثر فوتوالکتریک در یک جسم بلورین معمولا به سه مرحله تقسیم می شود:

1. اثر فوتوالکتریک درونی.حفره باقی مانده می تواند موجب پدید آمدن اثرauger شود که حتی در زمانی که الکترون ها از ماده خارج نمی شود هم قابل رویت هست. در جامدهای ملکولی، فوتون ها در این مرحله برانگیخته می شوند و ممکن است به شکل خطی در آخرین تراز انرژی الکترون قابل رویت باشند. اثر فوتوالکتریک درونی مجبور است که دو قطبی شود. قوانین جابه جایی برای اتم ها توسط مدل tight-binding در کریستال ها تبیین می شود. از لحاظ هندسی به نوسان پلاسما شبیه هستند که آن ها مجبورند عرضی شوند.

2.انتقال بالستیکی نیمی از الکترون ها به سطح که مقداری از الکترون ها پراکنده می شوند.

3. الکترون ها از ماده در سطح آن جدا می شود.

در این مدل سه مرحله ای الکترون می تواند چندین راه را برگزیند. تمام این راه ها می تواند به صورت فرمول بندی انتگرالی راه شناخته شود. برای قسمت سطح و ملکول ها، مدل سه مرحله ای بازهم مقداری درک در این مورد می سازد هرچند که اتم ها چندین الکترون دارند که هر کدام می توانند خروج الکترون را پراکنده کند.

تاریخ-----------------------------------------------------------------------------
در سال 1839 الکساندر ادموند بیکیورل اثر فوتوالکتریک را با قرار دادن نور بر روی الکترودی در یک محلول رسانا مشاهده کرد. در سال1873 ویلوبی اسمیت متوجه شد که سلنیوم یک فوتورسانا هست.

دهانه جرقه هرتز
در سال 1887 هنریش هرتز اثر فوتوالکتریک و تولید و دریافت موج های الکترومغناطیسی را مشاهده کرد. او این مشاهدات را در نشریه Annalen der Physik منتشر کرد. دریافت کننده ی او از یک سیم پیچ و یک دهانه جرقه تشکیل شده بود که جرقه به صورت موج الکترومغناطیسی دیده می شد. او دستگاه را در یک جعبه ی تاریک گذاشت تا جرقه را بهتر ببیند هرچند که می دانست طول موج جرقه در جعبه کاهش پیدا خواهد کرد. یک تخته ی شیشه ای بین منبع امواج الکترومغناطیسی و دریافت کننده قرار داد تا تابش های فرابنفش که به الکترون ها کمک می کند تا از شکاف بپرند را جذب کند. وقتی که این تخته برداشته شد طول موج جرقه بیش تر شد. او وقتی که کوارتز را به جای شیشه گذاشت هیچ گونه کاهش طول موجی را در جرقه ندید باوجود این که کوارتز پرتوهای فرابنفش را جذب نمی کند. هرتز از ماه ها تحقیقاتش نتیجه گیری کرد و نتایج به دست آورده را گزارش داد. او تحقیقات در مورد این اثر را ادامه نداد و تلاشی برای توضیح این اثر نداشت.

جی جی تامسون: الکترون ها
در سال 1899 جی جی تامسون در لوله ی کاتدی نورفرابنفش را پیدا کرد. با توجه به کار جیمز کلرک ماکسول، تامسون استنباط کرد که اشعه ی کاتدی از ذرات باردار منفی تشکیل شده است که ّبعدها الکترون نامیده شد که او آن را ذرات نامید. در آزمایشات تامسون یک بشقاب فلزی (کاتد) را درون یک لوله ی خلا قرار داد و آن را در معرض تابش های با فرکانس بالا قرار داد. این طور فکر کردند که میدان نوسان کننده موج الکترومغناطیسی باعث برانگیختن اتم می شود و وقتی که اتم به یک حد خاصی رسید آن گاه شروع به انتشار ذرات(الکترون) می کند و می توان جریان را آشکار کرد. این مقدار با تغییر شدت و رنگ تابش فرق می کرد. تابش با شدت یا فرکانس بیش تر جریان بیش تری را تولید می کرد.
انرژی تابشی

انرژی تابشی
نیکولا تسلا اثر فوتوالکتریک را در سال 1901 توصیف کرد. او تابش ها را به صورت نوسان اتر طول موج های کوچک که اتمسفر را یونیزه کرده اند توصیف کرد. در 5 نوامبر 1901 دستگاه US685957 که برای استفاده انرژی تابش بود را اختراع و ثبت کرد. این دستگاه  بار دار کردن و خنثی کردن رساناها(مانند یک بشقاب فلزی یا قطعه ای از میکا) به وسیله ی تابیدن را توضیح می داد. تسلا از این اثر و با استفاده از یک بشقاب فلزی رسانا برای باردار کردن خازن استفاده کرد. انرژی تابشی با سرعت بسیاری ذرات ریزی (الکترون) را که دارای بار الکتریکی زیادی است را به بیرون پرتاب می کرد. اختراع مشخص می کرد که تابش( انرژی تابشی) شامل شکل های مختلفی بود. این دستگاه ها به عنوان "پله کردن جریان متناوب فوتوالکتریک" می شناختند.

در واقع یک فلز براق توسط انرژی تابشی با بیرون رفتن الکترون ها دارای بار مثبت می شد. وقتی که بشقاب دارای بار مثبت می شد، الکترون ها شکل یک نیروی الکترواستاتیکی را روی بشقاب ایجاب می کردند (به علت انتشار فوتوالکترون از سطح) و بارهای منفی خازن ها را جریان می دادند. به محض این که پرتوها بر روی رساناهای عایق شده (که به یک خازن وصل شده بود) فرود می آمدند، خازن تا مقدار نامعینی شارژ می شد.

مشاهدات وان لنارد
در سل 1902 فیلیپ ادوارد آنتون وان لنارد با فرکانس نور اختلافاتی را در انرژی الکترون ها مشاهده کرد. او از یک لامپ قوسی الکتریکی استفاده کرد که به او اجازه می داد تا تغییرات زیاد را در شدت را بررسی کند و قدرت لازم را برای بررسی تغییرات پتانسیل بافرکانس نور را به او می داد. آزمایش او مستقیما پتانسیل را اندازه می گرفت، نه انرژی جنبشی الکترون: او انرژی الکترون را با توجه به بیش ترین مقدار پتانسیل (ولتاژ) در یک لامپ نور-برقی(فوتوتیوب) به دست آورد. او دریافت که بیش ترین انرژی جنبشی محاسبه شده با توجه به فرکانس نور مشخص شده است.  برای مثال برای آزاد سازی الکترون با افزایش فرکانس، بیشینه ی انرژی جنبشی هم افزایش پیدا می کرد. پرتوهای فرابنفش یک مقدار بیش تری پتانسیل ایستایی برای متوقف کردن جریان در یک لامپ نور-برقی نسبت به نور آبی نیاز دارد. هر چند که به خاطر سختی انجام آزمایش نتایج لنارد بیش تر کیفی بود تا کمی. آزمایشات به قطعه ای از فلز خالصی نیاز داشت که به خوبی پیدا می شد ولی در عرض چند دقیقه اکسیده می شدند حتی در برخی مواقع که در خلا هم استفاده می شد. جریان خارج شده از سطح توسط شدت نور یا روشنایی مشخص می شد: دو برابر شدن شدت نور به معنای دو برابر شدن تعداد الکترون های جدا شده بود. لنارد از فوتون ها چیزی نفهمیده بود.

آینشتین: کوانتوم های نور
توضیحات ریاضیاتی آلبرت آینشتین در مورد چگونه اثرفوتوالکتریک از جذب کوانتوم های نور(که اکنون فوتون نامیده می شود) موجب می شود، در سال 1905 در مقاله ای به نام "یک ایده ی ذهنی در مورد تولید و انتقال نور"منتشر کرد. این مقاله شکل ساده ی "نور کوانتومی" یا همان فوتون، را پیشنهاد می داد و نشان می داد که آن ها چگونه باعث بروز برخی پدیده ها مانند فوتوالکتریک می شد. توضیح ساده ی او بر حسب دریافت کوانتوم های تکی از نور، شکل پدیده و صفات فرکانس را توضیح می داد. توضیح آینشتین در مورد اثر فوتوالکتریک باعث شد تا جایزه نوبل فیزیک سال 1921 را به او بدهند.
ایده ی نور کوانتومی با انتشار قانون تابش جسم سیاه ماکس پلانک ( قانون گسترش انرژی در طیف های معمولی) با فرض کردن این که نوسان دهنده های هرتزی فقط در حالتی می توانند وجود داشته باشند که انرژی با فرکانس نوسان دهنده متناسب باشد یعنی E=H، که h ثابت پلانک است، آغاز شد. با فرض این که نور واقعا از تکه های انرژی جداگانه تشکیل شده است، آینشتین یک معادله برای اثر فوتوالکتریک نوشت که برای آزمایش متناسب است (این توضیح می داد که چرا انرژی فوتوالکترون ها به فرکانس ورودی بستگی داردنه شدت آن: شدت کم و فرکانس زیاد می تواند مقدار کمی از فوتون های با انرژی را تولید کند، جایی که شدت زیاد و فرکانس کم نمی تواند انرژی لازم را برای خارج کردن الکترون تامین کند.) این یک جهش بزرگ نظری بود و حقیقت وجود کوانتوم های نوری به خوبی استقامت پیدا کرد. ایده ی کوانتومی بودن نور با نظریه ی موجی نور که طبیعتا از معادلات جیمز ماکسول برای رفتار الکترومغناطیسی پیروی می کرد، در تناقض بود در مورد فرض کردن تقسیم بی نهایتی نور در سیستم های فیزیکی. حتی بعد ها آزمایشات هم درستی معادلات آینشتیتن را نشان دادند و با معادلات ماکسول که تصحیح و فهمیده شده بود در تناقض بود.
کار آینشتین پیش بینی کرد که انرژی الکترون خارج شده با فرکانس نور به صورت خطی افزایش می یابد. احتمالا تا آن زمان هنوز امتحان نشده بوده است. در سال 1905 متوجه شدند که انرژی فوتوالکترون ها با افزایش فرکانس نور افزایش می یابد نه شدت نور.
تا سال 1915 به صورت عملی این موضوع که شکل افزایش به صورت خطی است مشخص نشده بود تا این که رابرت میلیکان نشان داد که حق با آینشتین بوده است.

تاثیرات بر روی موجی- ذره ای
اثر فوتوالکتریک به پیشرفت درک مفاهیم رفتار موجی-ذزه ای نور کمک کرد. این اثر در قالب شکل کلاسیک نور یعنی شکل موجی آن غیرممکن بود، چون انرژی فوتون های خارجی به شدت نور واردی بستگی نداشت. نظریه کلاسیک پیش بینی می کرد که الکترون ها در یک مدت زمانی می توانند انرژی بگیرند و خارج بشوند. برای نظریه ی کلاسیک برای کار  کردن با حالت پیش بارگیری نیاز است تا در مورد ماده پا فشاری کنیم. ایده ی پیش بارگیری در کتاب  الکترون(+&-) رابرت میلیکان و کتاب اشعه ی X  در نظریه و آزمایشات بحث شده است.

استفاده ها و تاثیرات-------------------------------------------------------------
فوتودیود ها و فوتوترانزیستورها
سلول های خورشیدی (برای استفاده از انرژی خورشیدی) دیودهای حساس نوری از شکل مختلف اثرفوتوالکتریک استفاده می کند ولی از ماده الکترون خارج نمی کند. در نیمه رساناها، نور حتی کم انرژی آن مانند فوتون های مرئی می توانند الکترون های از حالت والانس خود در بیاورند و به رسانایی برسانند، جایی که می توان آن [الکترون]را کنترل کرد و جریان الکتریکی با ولتاژی متناسب با شکاف نواری انرژی تولید کنند.

حس گرهای عکس
در روزهای اولیه ی تلویزیون لوله های دوربین عکاسی از اثرفوتوالکتریک استفاده می کردند و در تغییرات جدید بیش تر از فوتورساناها استفاده می شد.
حس گرهای عکسی سیلیکون مانند سی سی دی ها برای عکاسی ها بسیار کاربرد دارد، آن ها بر پایه یک شکل دیگر از اثرفوتوالکتریک بنا شده اند که فوتون ها، الکترون ها را از نوار والانسشان در نیمه رساناه بیرون می کنند، و البته نه از خود جامد.

الکتروسکوپ ورقه ی طلایی
الکتروسکوپ های ورقه طلا برای شناسایی الکتریسیته ی ساکن طراحی شده اند. الکتروسکوپ ها در شرح اثر فوتوالکتریک بسیار مهم اند. بگذارید بگوییم که الکتروسکوپ دارای بار منفی است. الکترون هایی اضافی وجود دارند و ورقه ها از هم دور شده اند.  حال اگر ما یک نور با فرکانس بالا را روی کلاهک الکتروسکوپ بتابانیم، الکتروسکوپ خنثی می شود و ورقه ها می افتند. این به این علت است که فرکانس تابشی از فرکانس آستانه ی کلاهک بیش تر است. فوتون های موجو در نور انرژی لازم را برای آزاد سازی الکترون ها دارند و بار منفی آن ها را کم تر کند. این یک راه برای خنثی کردن یک الکتروسکوپ دارای بار منفی است و اگر پیش تر برویم، دادن بار مثبت به آن.
اگر تابش الکترومغناطیسی ما فرکانس کافی را برای آزاد سازی الکترون ها را نداشته باشد آن گاه هیچ گاه الکتروسکوپ خنثی نمی شود حتی اگر مدت زیادی هم نور را بر روی کلاهک بگیریم.

طیف بینی فوتوالکترون
از آن جایی که انرژی فوتوالکترون خارج شده برابر است با انرژی فوتون ورودی منهای تابع کار ماده یا همان انرژی پیوندی، تابع کار یک نمونه را می توان با بمباران کردن توسط  منبع تکفام اشعه ی ایکس یا منبع تابش فرابنفش و اندازه گیری انرژی جنبشی الکترون های خارج شده، مشخص کرد.
طیف بینی فوتوالکترون در یک محیط خلا انجام پذیر است چون الکترون ها ممکن است توسط ملکول های هوا منحرف بشوند.  

فضاپیما
اثرفوتوالکتریک موجب آن می شود که بدنه فضاپیما که در معرض نور خورشید است دارای بار مثبت شود. این می تواند به ده ها ولت برسد. این می تواند به یک مشکل بزرگ تبدیل شود و منطقه ی در سایه را دارای بار منفی کند(بالای چند کیلو ولت). عدم تعادل می تواند در طول ترکیبات حساس الکتریکی خنثی شود. الکتریسیته ساکن تولید شده توسط فوتوالکتریک توسط خودش محدود شده است. چون اشیا دارای بار الکتریکی زیاد الکترون هایش را کم تر از دست می دهد.

غبار های ماه
نور خورشید می تواند خاک ماه را دارای بار الکتریکی کند. آن گاه این گرد و غبار باردار شده به خاطر بارش از خودش دور می شود. این یک جور از خاک را آشکار می کند که به صورت یک مه تیره از دور نمایان می شود و وقتی که خورشید غروب کرد به صورت تابش تیره رنگی نمایان می شود. این مورد اولین بار در دهه 1960 معلوم شد. این جور فکر کردند که قطعات بسیار ریز تا ارتفاع چندکیلومتری بالا می رود و ذرات به محض این که باردار و خنثی می شوند به صورت فواره در می آیند.

دستگاه های دید در شب
فوتون ها یک آرسنیک گالیم را در دستگاه دید در شب مورد هدف قرار می دهند و موجب خروج فوتوالکترون می شوند. بعد این ها در یک آبشار از الکترون ها تقویت می شوند و موجب روشن شدن فسفر می شوند.

---