আলোক-তড়িৎ প্রভাব

একটি ধাতব পৃষ্ঠে আলো ফেললে, উপযুক্ত পরিস্থিতিতে, তা ইলেকট্রন ছুঁড়ে ফেলবে — শাস্ত্রীয় পদার্থবিজ্ঞান এই ফলাফল ব্যাখ্যা করার চেষ্টা করলে তা একগুঁয়েভাবে অদ্ভুত প্রমাণিত হয়েছিল। উনিশ শতকের তরঙ্গ তত্ত্ব পূর্বাভাস দিয়েছিল যে ম্লানতর আলোও ইলেকট্রন নির্গত করবে, শুধু ধীরে, যথেষ্ট সময় পেলে শক্তি জমা হবে। প্রকৃত পরীক্ষায় দেখা গেল ঠিক উল্টো: একটি তীক্ষ্ণ কাট-অফ কম্পাঙ্কের নিচে, কোনো তীব্রতা বা অপেক্ষা একটি ইলেকট্রনও উৎপন্ন করে না, অথচ সেই কম্পাঙ্কের উপরে সবচেয়ে ক্ষীণ আলোও তাৎক্ষণিকভাবে ইলেকট্রন নির্গত করে। আইনস্টাইনের 1905 সালের ব্যাখ্যা — যে আলো নিজেই শক্তির বিচ্ছিন্ন প্যাকেটে আসে, যাকে পরে ফোটন বলা হয় — এই ধাঁধার সমাধান করে এবং কোয়ান্টাম বলবিজ্ঞানের অন্যতম প্রতিষ্ঠাতা ফলাফলে পরিণত হয়, যার জন্য তিনি 1921 সালে পদার্থবিজ্ঞানে নোবেল পুরস্কার জিতেছিলেন।

আলো ধাতুতে মসৃণ তরঙ্গ হিসেবে আঘাত করে না — এটি ফোটন নামের ক্ষুদ্র গুচ্ছে আসে, প্রতিটি নির্দিষ্ট পরিমাণ শক্তি বহন করে। কেবল তখনই ইলেক্ট্রন বেরোয় যখন একটি একক ফোটনের শক্তি ধাতুর কার্য ফাংশনের অন্তত সমান — যে শক্তি সাধারণত ইলেকট্রনকে আটকে রাখে। বাকি যা থাকে তা-ই ইলেকট্রনের গতিশক্তি হয়ে সে উড়ে যায়।

সূত্র

KEₘₐₓ = h · f − φ

  • KEₘₐₓ — সর্বোচ্চ গতিশক্তি (eV): নির্গত ইলেকট্রনের বহনকৃত সর্বোচ্চ শক্তি
  • h — প্ল্যাঙ্ক ধ্রুবক (eV·s): ফোটনের কম্পাঙ্ককে শক্তির সাথে যোগকারী ক্ষুদ্র ধ্রুবক
  • f — কম্পাঙ্ক (Hz): প্রতি সেকেন্ডে কতগুলো আলোক তরঙ্গ আসে
  • φ — কার্য ফাংশন (eV): ধাতু থেকে ইলেকট্রন ছাড়াতে সর্বনিম্ন প্রয়োজনীয় শক্তি

সমাধান করা উদাহরণ

সোডিয়াম পৃষ্ঠে আঘাতকারী একটি ফোটন 3.1 eV শক্তি বহন করে। সোডিয়ামের কার্য ফাংশন 2.1 eV। নির্গত ইলেকট্রনের সর্বোচ্চ গতিশক্তি কত?

  • hf = 3.1 eV
  • φ = 2.1 eV
  1. KEₘₐₓ = h · f − φ
  2. KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV

KEₘₐₓ = 1.0 eV

নিজেকে পরীক্ষা করুন

এবার আলোর উৎস বেশি কম্পাঙ্কেরটি দিয়ে বদলানো হলো, যা একই সোডিয়াম পৃষ্ঠে (কার্য ফাংশন এখনও 2.1 eV) 3.6 eV শক্তির ফোটন দেয়। নতুন সর্বোচ্চ গতিশক্তি কত?
  • 5.7 eV
  • সঠিক উত্তর: 1.5 eV
  • 1.0 eV

হ্যাঁ! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV।

ধরুন ফোটনের শক্তি hf ধাতুর কার্য ফাংশন φ-এর চেয়ে কম। কী হবে?
  • ইলেকট্রন বেরোয় কিন্তু ধীর
  • ইলেকট্রন ঋণাত্মক গতিশক্তিসহ বেরোয়
  • সঠিক উত্তর: একদমই কোনো ইলেকট্রন বেরোয় না

ঠিক — কার্য ফাংশনের নিচে একক ফোটন যথেষ্ট শক্তি দিতে পারে না, তাই আলো যতই উজ্জ্বল হোক কোনো ইলেকট্রন বেরোয় না।

যেখানে এটি দেখবেন

ছাদে বসানো একটি সোলার প্যানেল আসলে এই ক্রিয়ারই রোজগারি রূপ: সূর্যালোকের ফোটনগুলো সিলিকনে আঘাত করে, প্রতিটি সর্বোচ্চ একটি ইলেকট্রনকে আলগা করে, আর সেই মুক্ত ইলেকট্রনগুলোই তড়িৎপ্রবাহ হয়ে বেরিয়ে যায়। গোধূলি-সংবেদী রাস্তার বাতি আর পুরনো ফটোসেল-চালিত দরজাও চলে একই এক-ফোটনে-এক-ইলেকট্রন লেনদেনে।

সাধারণ ভুল

ক্লাসিক ভুলটি হলো ভাবা যে বেশি উজ্জ্বল আলো ইলেকট্রনকে আরও জোরে ছুড়ে দেবে — তীব্রতা কেবল আরও বেশি সংখ্যক ইলেকট্রন তৈরি করে; প্রতিটির শক্তি নির্ভর করে কেবল ফোটনের কম্পাঙ্কের ওপর, KEₘₐₓ = h · f − φ সূত্রের মধ্য দিয়ে। আর থ্রেশহোল্ডের নিচে কিছুই ঘটে না, রশ্মি যতই উজ্জ্বল হোক না কেন: গতিশক্তি ঋণাত্মক হতে পারে না, তাই hf যদি কার্য ফাংশন φ-এর চেয়ে কম হয়, কোনো ইলেকট্রনই বেরোয় না। থ্রেশহোল্ডের ওপরে হলে বিয়োগ করুন: সোডিয়ামে (φ = 2.1 eV) 3.6 eV-এর ফোটন 1.5 eV শক্তিবিশিষ্ট ইলেকট্রন ছাড়িয়ে দেয়।

এটি কীভাবে সংযুক্ত

এটিই ধ্রুপদী পদার্থবিজ্ঞানের ভিতে প্রথম ফাটল — আলো কণার মতো আচরণ করছে — এবং গোটা আধুনিক পদার্থবিজ্ঞান মডিউলের দরজা: পরের পাঠ, কম্পটন বিক্ষেপণ, দেখায় যে সেই ফোটনগুলো বিলিয়ার্ড বলের মতো ভরবেগও বহন করে, আর যে তরঙ্গ-কণা দ্বৈততা শেষ পর্যন্ত পদার্থ-তরঙ্গে গিয়ে দাঁড়ায় তার যাত্রা শুরু ঠিক এখানেই।

ইন্টারঅ্যাকটিভ সিমুলেশন চেষ্টা করুন

সম্পর্কিত ধারণা