การเกิดโฟโตอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับอะไร

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก เป็นที่รู้จักกันมาก่อนยุคสมัยทฤษฎีควอนตัม แต่ไม่มีใครสามารถใช้ทฤษฎีคลาสสิกอธิบายผลการทดลองได้ จากการทดลอง เฮิร์ตซ์เป็นผู้ค้นพบว่า เมื่อแสงตกกระทบผิวโลหะอาจทำให้ประจุไฟฟ้าหลุดจากผิวโลหะได้ ปรากฎการณ์นี้เรียกว่า ปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก (Photoelectric effect)

ต่อมาทอมสันได้วัดค่าอัตราส่วนระหว่างประจุไฟฟ้าต่อมวลของอนุภาคที่ หลุดออกมาจากโลหะนั้น และพบว่ามีค่าเดียวกับอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจากแคโทด จึงเชื่อว่าอนุภาคนั้นเป็นอิเล็กตรอน และเรียกอิเล็กตรอนนั้นว่า โฟโตอิเล็กตรอน

การทดลองเรื่องปรากฎการณ์โฟโตอิเล็กทริก มีอุปกรณ์สำหรับทดลองดังรูปที่ 10 เมื่อฉายแสงตกกระทบที่แผ่นแคโทด C จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกมาเคลื่อนที่ไปยังแผ่นแอโนด A ทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านในวจร

พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนสามารถหาได้ด้วยชุดการทดลองในหลอดสุญญากาศความดันต่ำดังรูป 11 เมื่อแสงกระทบโลหะขั้วแคโทด C จะมีอิเล็กตรอนหลุดแล้วเคลื่อนที่มาขั้วแอโนด A ทำให้มีกระแสไฟฟ้าในวงจร

จากนั้นใส่สนามไฟฟ้าสม่ำเสมอทิศเดียวกับทิศการเคลื่อนที่ของโฟโตอิเล็กตรอน ( ให้ขั้ว A มีศักย์เป็นลบเมื่อเทียบกับ C ) ซึ่งทำให้เกิดแรงไฟฟ้าในทิศตรงข้ามกับทิศการเคลื่อนที่ของโฟโตอิเล็กตรอน ทำให้อัตราเร็วลดลง จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่วิ่งมาถึงขั้ว A จะลดลง โดยสังเกตได้จากกระแสลดลง และถ้าเพิ่มขนาดสนามไฟฟ้าจนกระทั่งโฟโตอิเล็กตรอนตัวที่มี พลังงานจลน์มากสุดเกือบจะถึงขั้ว A ( แต่ไม่ถึง ) ในกรณีนี้พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน จะเท่ากับผลต่างของพลังงานศักย์ไฟฟ้าระหว่างขั้ว A และ C พอดี ซึ่งขณะนี้จะไม่มีกระแสในวงจร

พลังงานของโฟตอน 1 ตัวที่สามารถทำให้เกิดปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้จะถูกถ่ายเทให้กับโลหะในรูปของพลังงานที่ใช้ทำลายการยึดอิเล็กตรอนไว้ เรียกว่าฟังก์ชั่นงาน (work function) และส่วนที่เหลือจะกลายเป็นพลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา ตามกฎการอนุรักษณ์พลังงานกล่าวคือ

ปรากฏการณ์โฟโตอิเลคตริก (Photoelectric Effect) เป็นทฤษฎีที่ใช้อธิบายคุณสมบัติของแสงในรูปแบบของอนุภาค ที่เรียกว่า "โฟตอน" (Photon) จากเดิม (Classical Physics) ที่อธิบายคุณสมบัติของแสงในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) เป็นผู้ค้นคว้าและตั้งทฤษฎีนี้ขึ้น และได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากทฤษฎีนี้

ประวัติ และความเป็นมา

ในปี 1887 เฮิรตซ์ (Heinrich Hertz) พบว่าเมื่อฉายแสงอัลตราไวโอเล็ตไปยังขั้งไฟฟ้าซึ่งอยู่ในวงจร จะมีประจุไฟฟ้าหลุดออกมา ต่อมาฮอลล์วอชส์ (Wilhelm Hallwachs) พบว่าเมื่อมีแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะนั้น ปรากฎการณ์เช่นนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากผิวโลหะที่ถูกแสงว่าโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron)

โดยปกติอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าในโลหะนั้นอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) อิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ในแถบนำไฟฟ้าได้อย่างอิสระ โดยอิเล็กตรอนจะไม่หลุดออกจากโลหะที่อุณหภูมิห้อง ทั้งนี้เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกกับอิเล็กตรอนภายในโลหะ ดังนั้นจึงเปรียบเสมือนกับว่าอิเล็กตรอนอยู่ภายในโลหะโดยมีกำแพงศักย์ (potential barrier) กั้นอยู่ที่ผิวโลหะ ระดับพลังงานสูงสุดที่มีอิเล็กตรอนคือระดับเฟอร์มี (fermi level)

รูปที่ 1 แสดงกำแพงศักย์กั้นอิเล็กตรอนภายในโลหะ

ในปี 1905 ไอสไตน์ได้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยใช้แนวความคิดของพลังค์ คือ คลื่นแมาเหล็กไปฟ้าความถี่ f ที่ตกกระทบผิวโลหะจะมีลักษณะคล้ายอนุภาคประกอบด้วยพลังงานเล็กๆ E เรียกว่า ควอนตัมของพลังงานหรือ โฟตอน (photon) โดย E = hf ถ้าพลังงานนี้มีค่ามากกว่าเวิร์กฟังก์ชัน อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากโลหะด้วยพลังงานจลน์มากสุด Ek(max)

Ek(max) = hf - W0

จากการศึกษาปรากฏกาณ์โฟโตอิเล็กทริกสรุปได้ดังนี้

1. อัตราการปล่อยอิเล็กตรอน (หรือ ip)เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มแสง I เมื่อความถี่ f ของแสงและความต่างศักย์มีค่าคงตัว ดังรุปที่ 2 ถ้าเปลี่ยนความถี่หรือชนิดของโลหะจะได้กราฟระหว่าง ip กับ I เป็นเส้นตรงเหมือนเดิมแต่มีความชันเปลี่ยนไป

2. ถ้าความเข้มคงที่และเปลี่ยนความถี่ของแสง จะได้กราฟ ดังรูปที่ 3 ซึ่งมีความถี่จำกัดค่าหนึ่งที่เริ่มเกิดโฟโตอิเล็กตรอนเรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม f0 (threshold frequency) ความถี่ขีดเริ่มของสารแต่ละชนิดจะไม่เหมือนกัน เมื่อแสงปล่อยพลังงาน hf0 ออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งถ้าเท่ากับ W0 จะได้ Ek(max) = 0 จึงไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะ

3. ถ้าความถี่และความเข้มแสงคงตัว แต่เปลี่ยนค่าความต่างศักย์ V ระหว่างขั้วไฟฟ้าจะได้ความสัมพันธ์ของ ip กับ V ดังรูปที่ 4 ที่ความต่างศักย์มีค่ามาก อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะคงเดิมจึงเกิดกระแสอิ่มตัว เมื่อเพิ่มศักย์ไฟฟ้าเข้าไปก็ไมาสามารถเพิ่มกระแสได้ และถ้าลดความต่างศักย์กระแสจะลดลงด้วย จนกระทั่งความต่างศักย์เป็นลบที่ค่าหนึ่งจะไม่มีกระแส เรียกศักย์นี้ว่า ศักย์หยุดยั้ง (stopping potential) V s ไม่มีอิเล็กตรอนตัวไหนมีพลังงานจลน์เพียงพอที่จะไปยังขั้วไฟฟ้าได้ ดังนั้น

4. ถ้าความถี่ต่ำกว่าความถี่ขีดเริ่ม f0 จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมา แสดงว่าโฟตอนที่ตกกระทบโลหะมีพลังงานน้อยกว่าเวิร์กฟังก์ชันของสารนั้น แต่ถ้าความถี่เพิ่มขึ้นพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนี้คล้ายกับปรากฏการณ์ปล่อยประจุไฟฟ้าเนื่องจากความร้อน (thermionic enission) ซึ่ง เอดิสัน (Edison) เป็นผู้ค้นพบในปี 1883 ในขณะประดิษฐ์หลอดไฟคือ เมื่อโลหะได้รับความร้อนอิเล็กตรอนในโลหะบางตัวจะได้รับพลังงานสูงกว่าเวิร์กฟังก์ชันในโลหะและหลุดออกจากโหะได้