ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก

ฉายแสงไปยังผิวโลหะ และภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม มันจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมา — ผลลัพธ์ที่ดูแปลกอย่างดื้อรั้นเมื่อฟิสิกส์คลาสสิกพยายามอธิบายมัน ทฤษฎีคลื่นในศตวรรษที่สิบเก้าทำนายว่าแสงที่สลัวกว่าก็ควรจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาได้เช่นกัน เพียงแต่ช้ากว่า หากให้เวลามากพอในการสะสมพลังงาน แต่การทดลองจริงกลับแสดงผลตรงกันข้าม นั่นคือต่ำกว่าความถี่ขีดเริ่มที่ชัดเจนค่าหนึ่ง ไม่ว่าจะใช้ความเข้มแสงมากเท่าใดหรือรอนานเท่าใดก็ไม่สามารถทำให้เกิดอิเล็กตรอนแม้แต่ตัวเดียว ในขณะที่แสงที่จางที่สุดซึ่งอยู่เหนือความถี่นั้นกลับปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมาได้ทันที คำอธิบายของไอน์สไตน์ในปี 1905 — ที่ว่าแสงเองเดินทางมาเป็นก้อนพลังงานที่ไม่ต่อเนื่อง ซึ่งภายหลังเรียกว่าโฟตอน — ได้ไขปริศนานี้และกลายเป็นหนึ่งในผลลัพธ์ที่วางรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัม ซึ่งทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 1921

แสงไม่ได้กระทบโลหะเป็นคลื่นเนียน — มันมาเป็นก้อนจิ๋วเรียกโฟตอน แต่ละตัวพาพลังงานคงที่ อิเล็กตรอนหลุดออกได้เมื่อพลังงานของโฟตอนเดี่ยวไม่น้อยกว่าฟังก์ชันงานของโลหะ — พลังงานที่ปกติยึดอิเล็กตรอนไว้ พลังงานที่เหลือจึงกลายเป็นพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนขณะมันบินออก

สูตร

KEₘₐₓ = h · f − φ

  • KEₘₐₓ — พลังงานจลน์สูงสุด (eV): พลังงานมากสุดที่อิเล็กตรอนที่ดีดออกพาไป
  • h — ค่าคงที่พลังค์ (eV·s): ค่าคงที่จิ๋วเชื่อมความถี่โฟตอนกับพลังงาน
  • f — ความถี่ (Hz): คลื่นแสงมาถึงกี่ลูกต่อวินาที
  • φ — ฟังก์ชันงาน (eV): พลังงานขั้นต่ำที่ต้องใช้ดึงอิเล็กตรอนออกจากโลหะ

ตัวอย่างที่แก้ไข

โฟตอนที่ต้องผิวโซเดียมพาพลังงาน 3.1 eV ฟังก์ชันงานของโซเดียมคือ 2.1 eV พลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนที่ดีดออกเป็นเท่าใด

  • 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

ทดสอบความเข้าใจของคุณ

เปลี่ยนแหล่งแสงเป็นความถี่สูงกว่า ส่งโฟตอนพลังงาน 3.6 eV มาที่ผิวโซเดียมเดิม (ฟังก์ชันงานยัง 2.1 eV) พลังงานจลน์สูงสุดใหม่เท่าใด
  • 5.7 eV
  • คำตอบที่ถูกต้อง: 1.5 eV
  • 1.0 eV

ถูกต้อง! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV

สมมติพลังงานโฟตอน hf น้อยกว่าฟังก์ชันงาน φ ของโลหะ จะเกิดอะไรขึ้น
  • อิเล็กตรอนถูกดีดออกแต่ช้ากว่า
  • อิเล็กตรอนถูกดีดออกด้วยพลังงานจลน์ติดลบ
  • คำตอบที่ถูกต้อง: ไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกเลย

ถูก — ต่ำกว่าฟังก์ชันงาน โฟตอนเดี่ยวจ่ายพลังงานไม่พอ อิเล็กตรอนจึงไม่หลุดไม่ว่าแสงจะสว่างแค่ไหน

พบเห็นได้ที่ไหน

แผงโซลาร์เซลล์บนหลังคาก็คือปรากฏการณ์นี้ที่ทำงานหาเลี้ยงชีพอยู่ทุกวัน: โฟตอนของแสงแดดกระทบซิลิคอน โฟตอนหนึ่งตัวดีดอิเล็กตรอนหลุดออกได้มากที่สุดเพียงหนึ่งตัว และอิเล็กตรอนที่ปลดปล่อยแล้วเหล่านั้นก็ไหลออกมาเป็นกระแสไฟฟ้า ไฟถนนที่รับรู้ยามพลบค่ำและประตูอัตโนมัติรุ่นเก่าที่ใช้เซลล์ตรวจจับแสงก็ทำงานด้วยการแลกเปลี่ยนโฟตอนหนึ่งต่ออิเล็กตรอนหนึ่งแบบเดียวกันนี้

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

ข้อผิดพลาดคลาสสิกคือคิดว่าแสงที่สว่างกว่าควรดีดอิเล็กตรอนออกมาแรงกว่า — ความเข้มแสงเพียงผลิตอิเล็กตรอนออกมา “มากขึ้น” เท่านั้น พลังงานของอิเล็กตรอนแต่ละตัวขึ้นอยู่กับความถี่ของโฟตอนเท่านั้น ผ่าน KEₘₐₓ = h · f − φ และต่ำกว่าค่าขีดเริ่มแล้วไม่มีอะไรเกิดขึ้นเลย ไม่ว่าลำแสงจะสว่างแค่ไหน: พลังงานจลน์เป็นลบไม่ได้ ดังนั้นถ้า hf น้อยกว่าฟังก์ชันงาน φ ก็ไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาเลย เหนือค่าขีดเริ่มแล้วให้ลบออก: โฟตอนพลังงาน 3.6 eV ที่ตกบนโซเดียม (φ = 2.1 eV) ดีดอิเล็กตรอนออกมาพร้อมพลังงาน 1.5 eV

เชื่อมโยงอย่างไร

นี่คือรอยร้าวแรกเริ่มในฟิสิกส์คลาสสิก — แสงที่ทำตัวเหมือนอนุภาค — และเป็นประตูสู่โมดูลฟิสิกส์สมัยใหม่ทั้งโมดูล: การกระเจิงของคอมป์ตันในบทถัดไปแสดงให้เห็นว่าโฟตอนเหล่านั้นถือโมเมนตัมเหมือนลูกบิลเลียด และความเป็นคู่คลื่น-อนุภาคซึ่งจะไปจบลงที่คลื่นสสารก็เริ่มต้นตรงนี้

ลองการจำลองแบบโต้ตอบ

แนวคิดที่เกี่ยวข้อง