............foton

فتون
مقدمه
این تعارض جوهر مانای ذره گونه که با انتشار موج - ذره رخ می‌دهد، نظریه کوانتوم توصیف عینی یابد، آنگاه می‌توانیم موقعیتهای آن را در لحظات پی در پی مشخص و مسیر آن را معین کنیم. اما ذراتی که مسیرهای مشخصی را طی می‌کنند، مشخصه نقش تداخلی موج گونه آنها را برای هر نوع ماده‌ای که واقعا قابل مشاهده باشد، ایجاد نمی‌کند. در آزمایشگاه ، این نقشها همچون نقشی از تیک تاکهای آرایه‌ای از آشکار سازها مشاهده می‌شود. تمهیدات مستند نظریه کوانتومی این نقشها را بوسیله یک تابع موج در فرمالیزم ریاضی آن نظریه بوجود می‌آورد.

این تابع موج احتمال آشکار سازی یک تیک تاک را توصیف می‌کند و چشم به راه یک شیء "حقیقی" نیست. بنابراین ، نظریه کوانتومی با نفی اینکه "موج" یا "ذره" "حقیقی" هستند، مسأله موج - ذره را حل می‌کند. به علاوه ، نظریه کوانتومی با آنچه که از معانی متعارف و رسمی آنها برداشت می‌شود. مفهوم ماده گاهی موج و گاهی ذره است را ندارد.

بر اساس اصل دوبروی ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

واقعیت کوانتومهای نور
نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از "پلانک" ، "آلبرت انیشتین" توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترون‌های اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون
آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط "کامپتون" انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت.

جرم فوتون
واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل می‌شود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم.

پدیده فوتوالکتریک
دید کلی
بعد از اینکه پلانک فرمول اساسی خود را در مورد تابش جسم سیاه ارائه داد و چنین استدلال نمود که تابش دارای طبیعت کوانتومی‌ است، یعنی تابش الکترومغناطیسی از مجموعه‌ای از کوانتومهای انرژی به نام فوتون تشکیل شده است، تحول شگرفی در علم فیزیک حاصل شد. بطوری که با استفاده از این مفهوم اندرکنشهای مختلف تابش با ماده که نظریه کلاسیک در توجیه آنها ناتوان بود، بطور کامل تشریح گردید. از جمله این اندرکنشها ، اندرکنشی است که به نام فوتوالکتریک معروف است.
اگر یک صفحه فلزی را تحت تابش امواج پر انرژی قرار دهیم، پرتو کاتدی و یا الکترونهای شتابدار از صفحه فلزی منتشر می‌شود. و همچنین اگر بین دو صفحه فلزی اختلاف پتانسیل الکتریکی بسیار زیادی ایجاد کنیم، الکترونهای لایه ظرفیت اتمهای فلز ، انرژی زیادی دریافت می‌کنند و در نتیجه سطح فلز را ترک می‌کنند و به سمت آند پیش می‌روند. در این عمل چون هم نور و الکتریسیته دخالت دارند به این پدیده ، اثر فوتو الکتریک می‌گویند. در واقع تمام مواد (جامد ، مایع و گاز) می‌توانند در شرایط خاصی تحت تأثیر اثر فوتوالکتریک ، پرتو کاتدی از خود گسیل کنند، گاهی به پرتو کاتدی ، فتوالکترون نیز می‌گویند.

اثر فتوالکتریک هر جسمی با گسیل فرکانس مشخصی از موج انجام می‌شود. اگر فرکانس موج برای جسم خاصی کمتر از حد معین باشد، که به آن بسامد قطع می‌گویند، اثری از فتوالکتریک مشاهده نخواهد شد. اما طبق قوانین الکترودینامیک کلاسیک ، موج با برخورد به صفحه فلزی مقداری انرژی به آن منتقل می‌کند و به مرور زمان این انرژی انباشته می‌شود تا اینکه انرژی مورد نیاز برای گسیل الکترون فراهم شود. اما در آزمایشگاه خلاف آنچه که در فیزیک کلاسیک گفته شد، روی می‌دهد، یعنی گسیل موج با فرکانس کمتر از حد معین به فلزی هرگز پرتو کاتدی منتشر نمی‌کند.

تاریخچه
در سال 1887 ، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالی که سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی ‌کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود.

ساختار فوتو الکتریک

یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا می‌باشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.

مشخصات اثر فوتوالکتریک
هر فلزی دارای یک فرکانس‌ ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس‌ ویژه را فرکانس‌ آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس‌ آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس‌ آستانه مخصوص به خود است. بر اساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیر قابل ‌توجیه بود.


بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود.


انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است، ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود.


گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل می‌شود. به عبارت دیگر ، تأخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است.


اثر فتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند.
اساس کار فوتو الکتریک
انیشتین تابش را متشکل از مجموعه‌ای از کوانتومهایی با انرژی hv در نظر گرفت که در آن v فرکانس‌ نور و h ثابت پلانک معروف است. جذب تک کوانتوم بوسیله الکترون ، فرآیندی که ممکن است در زمانی کمتر از 10-9 ثانیه صورت گیرد، انرژی الکترون را به اندازه hv افزایش می‌دهد. مقداری از این انرژی باید صرف جدا کردن الکترون از فلز شود. از طرف دیگر ، گفتیم که هر فلزی دارای یک فرکانس آستانه است که در فرکانسهای پایینتر از آن فتوالکتریک غیر ممکن است.

بنابراین اگر فرکانس‌ آستانه را با v0 نشان دهیم، در این صورت کمیت w = hv0 به عنوان تابع کار فلز تعریف می‌شود. بنابراین شرط ایجاد اثر فوتوالکتریک این است که hv (انرژی نور تابشی بر سطح کاتد) بیشتر یا مساوی w باشد. اگر سرعت الکترون گسیل شده از کاتد را با V نشان دهیم، همواره بین فرکانس‌ نور تابشی ، سرعت فتوالکترونها و تابع کار رابطه زیر برقرار است:



mv2/2 = hv - w


رابطه فوق از قانون بقای انرژی حاصل می‌گردد. این رابطه به فرمول انیشتین نیز معروف است. میلیکان آزمایشهای جامعی انجام داد و صحت فرمول انیشتین را تثبیت نمود. آنچه آزمایشهای میلیکان و پیشینیان ثابت کرد این بود که بعضی اوقات نور نظیر مجموعه‌ای از ذرات رفتار می‌کند و این ذرات می‌توانند بطور انفرادی عمل کنند، طوری که می‌توان به موجودیت یک تک فوتون فکر کرد و به دنبال خواص آن بود. (ماهیت ذره‌ای نور) نتیجه جنبی این آزمایشها حاکی از اطلاعاتی در مورد فلزات بود، آشکار شد که تابع کار W از مرتبه چند الکترون ولت است (1ev=1.6x10-19j) و این می‌توانست با سایر خواص فلزات هم بسته باشد.