ضیائی برقی اثر
کسی دھاتی سطح پر روشنی ڈالیں تو، مناسب حالات میں، وہ الیکٹران خارج کرنے لگتی ہے — ایک ایسا نتیجہ جو کلاسیکی طبیعیات کے اسے سمجھانے کی کوشش کے دوران ہٹ دھرمی سے عجیب ثابت ہوا۔ انیسویں صدی کے موجی نظریے کے مطابق مدھم روشنی کو بھی الیکٹران خارج کرنے چاہییں، بس تھوڑا سست رفتاری سے، بشرطیکہ توانائی جمع ہونے کے لیے کافی وقت ملے۔ حقیقی تجربات نے اس کے برعکس دکھایا: ایک تیز حد بندی فریکوئنسی (cutoff frequency) سے نیچے، خواہ کتنی ہی شدت یا کتنا ہی انتظار کیوں نہ ہو، ایک بھی الیکٹران پیدا نہیں ہوتا، جبکہ اس فریکوئنسی سے اوپر انتہائی مدھم روشنی بھی فوراً الیکٹران خارج کر دیتی ہے۔ آئن سٹائن کی 1905 کی وضاحت — کہ روشنی خود توانائی کے مجزّا (discrete) پیکٹس کی صورت میں آتی ہے، جنہیں بعد میں فوٹون کہا گیا — نے اس معمے کو حل کیا اور کوانٹم میکینکس کے بنیادی نتائج میں سے ایک بن گئی، جس پر انہیں 1921 کا نوبل انعام برائے طبیعیات ملا۔
فوٹو الیکٹرک اثر
روشنی دھات پر ہموار لہر کی طرح نہیں لگتی — وہ فوٹون نامی چھوٹے دھماکوں میں پہنچتی ہے، ہر ایک مقرر مقدار توانائی لے کر۔ الیکٹرون صرف اس وقت نکلتا ہے جب ایک فوٹون کی توانائی کم از کم دھات کے کار افعال کے برابر ہو؛ وہی توانائی جو عام طور پر الیکٹرون کو جگہ پر رکھتی ہے۔ بچی کھچی توانائی الیکٹرون کی حرکی توانائی بن جاتی ہے جب وہ اڑتا ہے۔
فارمولہ
KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ — زیادہ سے زیادہ حرکی توانائی (eV): سب سے زیادہ توانائی جو نکالا ہوا الیکٹرون ساتھ لے جاتا ہے
- h — پلانک مستقل (eV·s): چھوٹا مستقل جو فوٹون کے تعدد کو اس کی توانائی سے جوڑتا ہے
- f — تعدد (Hz): ہر سیکنڈ کتنی روشنی کی لہریں پہنچتی ہیں
- φ — ورک فنکشن (eV): الیکٹرون کو دھات سے آزاد کرنے کے لیے کم سے کم توانائی
حل شدہ مثال
سوڈیم کی سطح سے ٹکرانے والا فوٹون 3.1 eV توانائی رکھتا ہے۔ سوڈیم کا کار افعال 2.1 eV ہے۔ نکالے گئے الیکٹرون کی زیادہ سے زیادہ حرکی توانائی کیا ہے؟
- hf = 3.1 eV
- φ = 2.1 eV
- KEₘₐₓ = h · f − φ
- KEₘₐₓ = 3.1 eV − 2.1 eV
KEₘₐₓ = 1.0 eV
خود کو آزمائیں
اب روشنی کا ذریعہ زیادہ تعدد والے سے بدلا جاتا ہے جو اسی سوڈیم سطح کو 3.6 eV فوٹون دیتا ہے (کار افعال اب بھی 2.1 eV)۔ نئی زیادہ سے زیادہ حرکی توانائی کیا ہے؟
- 5.7 eV
- درست جواب: 1.5 eV
- 1.0 eV
درست ہے! KEₘₐₓ = 3.6 eV − 2.1 eV = 1.5 eV۔
فرض کریں فوٹون کی توانائی hf دھات کے کار افعال φ سے کم ہے۔ کیا ہوگا؟
- الیکٹرون نکلتی ہے مگر سست
- الیکٹرون منفی حرکی توانائی کے ساتھ نکلتی ہے
- درست جواب: کوئی الیکٹرون بالکل نہیں نکلتی
ٹھیک — کار افعال سے نیچے ایک فوٹون کافی توانائی نہیں دے سکتا، پس روشنی چاہے کتنی ہی روشن ہو، کوئی الیکٹرون نہیں نکلتی۔
آپ یہ کہاں دیکھتے ہیں
چھت پر لگا ہوا سولر پینل یہی اثر ہے جو اپنا روزگار کماتا ہوا کام کر رہا ہے: سورج کی روشنی کے فوٹون سلکان سے ٹکراتے ہیں، ہر ایک زیادہ سے زیادہ ایک الیکٹرون کو کھول کر آزاد کرتا ہے، اور وہ آزاد الیکٹرون کرنٹ بن کر باہر بہ نکلتے ہیں۔ اندھیرا محسوس کر کے جلنے والی اسٹریٹ لائٹیں اور پرانے فوٹو سیل سے چلنے والے دروازے اسی ایک فوٹون کے بدلے ایک الیکٹرون والے سودے پر چلتے ہیں۔
عام غلطیاں
کلاسیکی غلطی یہ ہے کہ زیادہ روشنی الیکٹرونوں کو زیادہ زور سے باہر پھینک دے گی — شدت صرف زیادہ سے زیادہ الیکٹرون پیدا کرتی ہے؛ ہر الیکٹرون کی توانائی صرف فوٹون کے تعدد پر منحصر ہے، KEₘₐₓ = h · f − φ کے ذریعے۔ اور دہلیز سے نیچے کچھ نہیں ہوتا، چاہے شعاع کتنی ہی روشن ہو: حرکی توانائی منفی نہیں ہو سکتی، اس لیے اگر hf کار افعال φ سے کم ہو تو کوئی الیکٹرون بالکل نہیں نکلتی۔ دہلیز سے اوپر تفریق کریں: سوڈیم پر 3.6 eV کے فوٹون (φ = 2.1 eV) الیکٹرونوں کو 1.5 eV کے ساتھ باہر نکالتے ہیں۔
یہ کیسے جڑا ہے
یہ کلاسیکی فزکس میں پڑی پہلی دراڑ ہے — روشنی ذرات کی طرح رویہ رکھتی ہے — اور پورے جدید فزکس ماڈیول کا دروازہ: اگلا سبق، کامپٹن بکھراؤ، دکھاتا ہے کہ یہ فوٹون بلیارڈ گیندوں کی طرح مومینٹم رکھتے ہیں، اور لہر اور ذرے کا دوہرا پن جو مادہ لہروں پر ختم ہوتا ہے، اسی نکتے سے شروع ہوتا ہے۔