ناتوانی فیزیک کلاسیک در توجیه پدیده فوتوالکتریک

ناتوانی فیزیک کلاسیک در توجیه پدیده فوتوالکتریک

همانطور که قبلاً گفته شد این پدیده در اواخر قرن نوزدهم مشاهده شد. طبق فیزیک کلاسیک درباره این پدیده چنین می‌توان گفت: نور از جنس امواج الکترومغناطیس است و هنگام برخورد به سطح فلز میدان الکتریکی آن به الکترون‌ها نیروی -eE  وارد می‌کند، بر اثر این نیرو الکترون‌ها شتاب می‌گیرند.

در این حالت انرژی جنبشی بعضی الکترون‌ها به حدی افزایش می‌یابد که می‌توانند خود را از قید اتم‌های فلز خلاص کرده و به بیرون فلز راه یابند، همانند موقعی که شما سنگی را به سمت آسمان پرتاب می‌کنید و در این فکر هستید که چگونه می‌توان سنگ را طوری پرتاب کرد که از قید جاذبه گرانش زمین خلاص شود. البته می‌دانید که انجام این کار با دست امکان پذیر نیست (ولی فضاپیماها با سرعت و انرژی که از سوختن سوخت خود می‌گیرند می‌توانند خود را از جاذبه گرانشی زمین خارج کنند).
طبق قانون فیزیک کلاسیک می‌توانیم قضیه کار و انرژی را برای فوتوالکترون‌های دستگاه فوتوالکتریک استفاده کنیم. طبق شکل زیر اگر الکترون‌ها هنگام جدا شدن از الکترود  A  انرژی جنبشی     و هنگام رسیدن به الکترودB  انرژی جنبشی   KB  را داشته باشند آنگاه می‌توان گفت:  کار کل برابر تغییرات انرژی جنبشی :

W_t = K_B -  K_A

 

اگر اختلاف پتانسیل بین دو الکترود A  و B برابرV  باشد آنگاه کار نیروی الکتریکی روی الکترون برابر است با: 

W_t = eV

طبق دو رابطه قبل می‌توان گفت:

eV = K_B -  K_A

پاسخ دهید :

چگونه می‌توان حداکثر انرژی جنبشی الکترون‌ها هنگام خارج شدن از سطح فلز را به دست آورد؟

جواب:

در بحث ولتاژ متوقف کننده دیدیم که وقتی ولتاژ بین دو الکترود برابر ولتاژ متوقف کننده شود. دیگر الکترونی به الکترود  B نمی رسد در حالی‌که اگر ولتاژ کمی بیشتر از ولتاژ متوقف کننده باشد آنگاه الکترون‌ها به الکترود B  می‌رسند.

 

بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که وقتی ولتاژ برابر ولتاژ متوقف کننده است الکترون‌ها خود را تا نزدیکی الکترود B  می‌رساند و برمی‌گردند به عبارتی وقتی به نزدیک الکترود B  می‌رسند سرعت و انرژی جنبشی آنها صفر می‌شود یعنی :

K_B= 0

_{پس طبق رابطه قبلی داریم:}

_{-eV0 = 0 - KA}

_{بنابراین با داشتن ولتاژ متوقف کننده می‌توان به حداکثر انرژی جنبشی که الکترون‌ها پیدا می‌کنند، پی برد.}

_{همانطور که دیدید در این موارد فیزیک کلاسیک با این پدیده مشکل ندارد، بلکه خیلی جالب نتایج آن را تجزیه و تحلیل می‌کند. ولی اگر کمی صبر کنید خواهید دید که در قدم‌های بعدی فیزیک کلاسیک در توجیه نتایج تجربی این پدیده ناتوان خواهد بود. فیزیک کلاسیک در سه مورد از نتایج تجربی پدیده فوتوالکتریک در می‌ماند که با توجّه به سطح کتاب به دو مورد آن اشاره می‌شود.
١- طبق قوانین فیزیک کلاسیک موج الکترومغناطیس دارای میدان الکتریکی است و افزایش انرژی موج الکترومغناطیس باعث افزایش میدان الکتریکی می‌شود، بنابراین افزایش انرژی موج الکترومغناطیس باید باعث افزایش حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون‌ها شود در حالی‌که طبق رابطه قبل}

_{eV0 = Kmax}

_{حداکثر انرژی جنبشی فوتوالکترون‌ها به ولتاژ متوقف کننده بستگی دارد اما همانطور که در نمودارهای قبلی دیدید ولتاژ متوقف کننده مستقل از مقدار انرژی ورودی است و فقط به بسامد نور بستگی دارد.}

_{٢- طبق قوانین فیزیک کلاسیک اگر انرژی نور برای جدا کردن الکترون از سطح فلز ( الکترود (A کافی باشد باید نور با هر بسامدی بتواند از سطح فلز الکترون بکند در حالی‌که طبق مطالب قبلی دیدید اگر بسامد نور کمتر از بسامد قطع باشد پدیده فوتوالکتریک اتفاق نمی‌افتد}

_.