కాంతి విద్యుత్ ప్రభావం
లోహపు ఉపరితలంపై కాంతి ప్రసరించండి — సరైన పరిస్థితుల్లో అది ఎలక్ట్రాన్లను బయటకు విసరుతుంది — శాస్త్రీయ భౌతిక శాస్త్రం వివరించడానికి ప్రయత్నించినప్పుడు మొదటినుంచీ పట్టుదలగా ఉన్న వింత ఫలితం ఇది. పందొమ్మిదవ శతాబ్దపు తరంగ సిద్ధాంతం ప్రకారం మసక కాంతి కూడా ఎలక్ట్రాన్లను బయటకు విసరగలదు, శక్తి పేరుకుపోవడానికి సరిపడా సమయం ఇస్తే నెమ్మదిగా అయినా సరే. నిజమైన ప్రయోగాలు విరుద్ధాన్ని చూపాయి: తీవ్రమైన కోత పౌనఃపున్యానికి కింద ఎంత తీవ్రత ఇచ్చినా, ఎంత సేపు వేచి ఉన్నా ఒక్క ఎలక్ట్రాన్ కూడా బయటకు రాదు, అలాగే ఆ పౌనఃపున్యానికి పైన అత్యంత మసక కాంతి కూడా ఎలక్ట్రాన్లను తక్షణమే విసరుతుంది. కాంతి శక్తి యొక్క విడివిడి ప్యాకెట్లుగా — తర్వాత ఫోటాన్లు అని పిలవబడిన — వస్తుందనే ఐన్స్టీన్ 1905 వివరణ ఈ సమస్యను పరిష్కరించి, క్వాంటం యాంత్రిక శాస్త్రపు స్థాపక ఫలితాల్లో ఒకటైంది; దీనికే అతనికి 1921 భౌతిక శాస్త్ర నోబెల్ బహుమతి లభించింది.
కాంతి లోహంపై సాఫీగా ఉన్న తరంగంలా గాదు — అది ఫోటాన్లు అనే చిన్న ముక్కల వరుసల్లో వస్తుంది, ఒక్కొక్కటి నిర్దిష్ట పరిమాణపు శక్తిని మోస్తుంది. ఒకే ఒక్క ఫోటాన్ శక్తి లోహపు కార్యఫలనం — సాధారణంగా ఎలక్ట్రాన్ను స్థానంలో ఉంచే శక్తి — అంత కన్నా తక్కువ కాని వరకు ఎలక్ట్రాన్ బయటకు రాదు. మిగిలిన శక్తంతా ఎలక్ట్రాన్ ఎగిరిపోతూన్న గతిజ శక్తి అవుతుంది.
సూత్రం
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — గరిష్ఠ గతిజ శక్తి (eV): విరజిమ్మబడిన ఎలక్ట్రాన్ తీసుకెళ్ళే గరిష్ఠ శక్తి
- h — ప్లాంక్ స్థిరాంకం (eV·s): ఫోటాన్ పౌనఃపున్యాన్ని శక్తితో కలిపే చిన్న స్థిరాంకం
- f — పౌనఃపున్యం (Hz): ప్రతి సెకనూ ఎన్ని కాంతి తరంగాలు వస్తాయి
- φ — కార్యఫలనం (eV): ఎలక్ట్రాన్ను లోహం నుండి విడిపించడానికి అవసరమైన కనీస శక్తి
సాల్వ్ చేసిన ఉదాహరణ
సోడియం ఉపరితలాన్ని కొట్టే ఫోటాన్ 3.1 eV శక్తిని మోసుకెళ్తోంది. సోడియం కార్యఫలనం 2.1 eV. విరజిమ్మబడిన ఎలక్ట్రాన్ గరిష్ఠ గతిజ శక్తి ఎంత?
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
మీను మీరు పరీక్షించుకోండి
ఇప్పుడు కాంతి మూలాన్ని ఎక్కువ పౌనఃపున్యం గల దానితో మార్చారు, అదే సోడియం ఉపరితలానికి (కార్యఫలనం ఇంకా 2.1 eV) 3.6 eV శక్తి గల ఫోటాన్లను అందిస్తోంది. కొత్త గరిష్ఠ గతిజ శక్తి ఎంత?
- 5.7 eV
- సరైన సమాధానం: 1.5 eV
- 1.0 eV
అవును! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV.
ఫోటాన్ శక్తి hf లోహపు కార్యఫలనం φ కంటే తక్కువగా ఉంటే అనుకుందాం. ఏమి జరుగుతుంది?
- ఎలక్ట్రాన్ విరజిమ్మబడుతుంది కానీ నెమ్మదిగా
- ఎలక్ట్రాన్ ఋణ గతిజ శక్తితో విరజిమ్మబడుతుంది
- సరైన సమాధానం: ఎలక్ట్రాన్ అసలు బయటకు రాదు
సరైనది — కార్యఫలనానికి కింద, ఒకే ఒక్క ఫోటాన్ తగినంత శక్తిని ఇవ్వలేదు, కాబట్టి కాంతి ఎంత ప్రకాశవంతమైనా ఏ ఎలక్ట్రానూ బయటకు రాదు.
ఇక్కడ ఇది ఎక్కడ కనిపిస్తుంది
ఇంటి కప్పుపై సోలార్ ప్యానెల్ అనేది జీవనోపాధి కోసం పనిచేస్తున్న ఈ ప్రభావమే: సూర్యకాంతి ఫోటాన్లు సిలికాన్ను కొడతాయి, ఒక్కొక్కటి గరిష్ఠంగా ఒక్క ఎలక్ట్రాన్ను విడిపిస్తుంది, ఆ విడుదలైన ఎలక్ట్రాన్లు ప్రవాహంగా బయటకు ప్రవహిస్తాయి. సాయంత్రం-గ్రహించే స్ట్రీట్ లైట్లు, పాత ఫోటోసెల్ తలుపులు అదే ఫోటాన్-కు-ఎలక్ట్రాన్ మార్పిడిపై నడుస్తాయి.
సాధారణ తప్పులు
క్లాసిక్ దోషం — ప్రకాశవంతమైన కాంతి ఎలక్ట్రాన్లను బలంగా బయటకు విసరాలి — తీవ్రత కేవలం ఎక్కువ ఎలక్ట్రాన్లను ఉత్పత్తి చేస్తుంది; ప్రతి దాని శక్తి ఫోటాన్ పౌనఃపున్యంపైనే ఆధారపడుతుంది, KEₘₐₓ = h · f − φ ద్వారా. పరిమితికి కింద ఏమీ జరగదు, పుంజం ఎంత ప్రకాశవంతమైనా: గతిజ శక్తి ఋణం కాలేదు, కాబట్టి hf కార్యఫలనం φ కంటే తక్కువగా ఉంటే ఏ ఎలక్ట్రానూ బయటకు వెళ్ళదు. పరిమితి పైన తీయండి: 3.6 eV ఫోటాన్లు సోడియంపై (φ = 2.1 eV) 1.5 eV గల ఎలక్ట్రాన్లను విరజిమ్ముతాయి.
ఇది ఎలా అనుసంధానమవుతుంది
ఇది శాస్త్రీయ భౌతికశాస్త్రంలో స్థాపక పగులు — కణాల్లా ప్రవర్తించే కాంతి — మరియు మొత్తం ఆధునిక-భౌతిక మాడ్యూల్కు తలుపు: తర్వాతి కాంప్టన్ విసరణ ఆ ఫోటాన్లు బిలియర్డ్ బంతుల వలె ద్రవ్యవేగాన్ని మోస్తాయని చూపుతుంది, ద్రవ్య తరంగాలతో ముగిచే కణ-తరంగ ద్వైత స్వభావం ఇక్కడి నుండే మొదలవుతుంది.