از ویکی پدیا: ” اثر فوتوالکتریک (به انگلیسی: Photoelectric effect) پدیدهای است الکتروکوانتومی که در آن الکترون، بعد از جذب انرژی یک پرتوی الکترومغناطیسی مانندپرتوی ایکس یا انوار مرئی، از ماده گسیل میشود.”
_/ ادامه‌ی بحثِ فضا-زمان بجای اتر و ماهیت های نور
با توجه به نظریه الکترومغناطیسی کلاسیک، این اثر می تواند به انتقال انرژی از نور به الکترون نسبت داده شود. از این منظر، تغییر در شدت نور سبب ایجاد تغییرات در انرژی جنبشی الکترون های منتشر شده از فلز می شود. علاوه بر این، با توجه به این نظریه، از یک نور به مقدار کافی کم، انتظار میرود که یک تاخیر زمانی را بین درخشش اولیه و انتشار بعدی الکترون نشان دهد. با این حال، نتایج تجربی با هیچ یک از دو پیش بینی ساخته شده توسط نظریه کلاسیک ارتباط نداشت.
در عوض، هنگامی که این فوتون ها به یک فرکانس آستانه (انرژی) برسند یا فراتر روند، الکترون ها تنها توسط جذب فوتون ها تخریب می شوند.
در زیر این آستانه، بدون توجه به شدت نور و یا مدت زمان قرار گرفتن در معرض نور، الکترون از ماده خارج نمی شود. به ندرت، یک الکترون با جذب دو یا چند کوانتا فرار میکند.
با این حال، این بسیار نادر است، زیرا تا آن زمان به اندازه کافی کوانتا برای فرار جذب میکند و الکترون احتمالا بقیه کوانتا را منتشر می کند. آلبرت انیشتین برای اینکه این واقعیت را بپذیرد که نور میتواند الکترونها را پس بزند حتی اگر شدت آن کم باشد، فرضیه جدیدی را امتحان کرد.
او پیشنهاد کرد که یک پرتو نور، یک موج درحال انتشار از طریق فضا نیست بلکه مجموعه ای از بسته های موج گسسته (فوتون) است که هر کدام با انرژی hν هستند. این مسئله در مورد کشف گذشته ماکس پلانک رابطه پلانک:
(E = hν)
- انرژی E
- فرکانس ν
- فاکتور h
که ناشی ازکوانتیزاسیون انرژی است را به تصویر می کشد. فاکتور h نیز به عنوان ثابت پلانک شناخته شده است.
چگونه می توان این اثر را به روش دیگری با توجه به نظریه جدید اتر توضیح داد؟
یک موج نور به سمت سطح فلزی حرکت می کند. در حالی که در حرکت است، آن را تحت لرزش اترون های اطراف قرار می دهد. هنگامی که یک اترون، در نزدیکی نزدیکترین سطح فلز، شروع به ارتعاش می کند، به یک الکترون آزاد بر روی سطح ضربه میزند.
اگر اترون انرژی کافی از موج داشته باشد:
E = h * f
می تواند انرژی کوانتومی را که نیاز به آزاد کردن الکترون دارد به الکترون منتقل کند. اگر فرکانس کم باشد، انرژی برای انتقال الکترون به اندازه کافی نیست، اما مهم نیست که شدت نور چه قدر باشد.
در نتیجه، در این مورد نیز نمیتوانیم بگوییم که نور مانند یک ذره رفتار میکند. نور مثل همیشه رفتار می کند، اما این پدیده به سادگی برخورد یک اترون با یک الکترون است.
اثر کامپتون
بیایید سعی کنیم اثر کامپتون را توضیح دهیم. این یکی دیگر از بسیاری از پدیده های ذکر شده به نظر می رسد که باید به گونه ای شبیه به آنچه که برای اثر فوتوالکتریک دنبال می شود توضیح داده شود.
در این تصویر، می توانید چیز جالبی را ببینید. این انتشار یک اشعه ایکس (به اصطلاح فوتون) با سرعت نور است.
آنها در تصویر به عنوان یک موج طولی آبی نشان داده می شوند و یک الکترون را می گیرند. الکترون با زاویه پراکندگی مشتق شده با حفظ محرک کل حرکت می کند. در نتیجه، به اصطلاح “فوتون” با انرژی کمتر پراکنده شده است.
بخشی از انرژی به الکترون منتقل می شود و بنابراین این به معنی فرکانس جزئی است. در حقیقت، “فوتون” (در چارچوب مفهومی جدید من می گویم “اترون”)، در تصویر با یک موج قرمز نشان داده شده است.
این نشان دهنده تابش با طول موج بزرگتر و انرژی کمتر E = h * f است.
این وضعیتِ واقعی است: موج آبی، و نه ذرات، به سمت الکترون حرکت می کند. موج یک انرژی بالا است و در طی حرکت آن همه اترونها را دچار لرزش میکند. وقتی موج به برخورد با الکترون برسد، نزدیک ترین اترون شروع به ارتعاش می کند. و در نتیجه، با انرژی حمل شده توسط موج به الکترون برخورد میکند.
برچیده شدن فیزیک کوانتومی
الکترون با یک زاویه حرکت می کند که می تواند با حفظ محرک و انرژی کل محاسبه شود. این موج بخشی از انرژی را از دست می دهد (به الکترون داده می شود) و بنابراین به فرکانس قرمز تبدیل می شود. بنابراین تأثیر ضربه بین ذرات است، در حالی که پراکندگی موج را مشخص می کند. در واقع فیزیک کلاسیک به تنهایی قادر به توضیح همه چیز است و این کاملا تعجب آور است.
تولید زوج
تولید زوج ایجاد یک ذره ابتدایی و ضد ذره آن از یک بوزون خنثی است. نمونه هایی از جمله ایجاد یک الکترون و یک پوزیترون، یک میون و یک آنتی میون یا یک پروتون و یک آنتی پروتون است. تولید زوج به طور خاص به یک فوتون اشاره می کند که یک جفت الکترون- پوزیترون را در نزدیکی یک هسته ایجاد می کند.
به منظور تولید زوج، انرژی ورودی تعامل باید بیش از یک آستانه باشد. این برای ایجاد زوج یا حداقل انرژی جرم باقیمانده دو ذره لازم است. در این حالت، وضعیت اجازه می دهد تا انرژی و حرکت حفظ شوند. با این حال همه اعداد کوانتومی حفظ شده (حرکت زاویه ای، بار الکتریکی، تعداد لپتون) ذرات تولید شده باید به صفر برسد.
بنابراین ذرات ایجاد شده باید مقادیر متقابل یکدیگر را داشته باشند. به عنوان مثال، اگر یک ذره دارای یک بار الکتریکی از +1 باشد، دیگری باید یک بار الکتریکی از -1 داشته باشد. احتمال تولید جفت ها در برهم کنش فوتون و ماده با انرژي فوتون افزایش مي یابد و تقریبا به صورت مجذور عدد اتمي اتم نزدیك نیز افزایش مي یابد.
تصویر نشان دهنده روند تولید زوج الکترون-پوزیترون است.
برای فوتون با انرژی فوتون بالا (مقیاس MeV و بالاتر)، تولید روج حالت متداول تعامل فوتون با ماده است. این تعاملات برای اولین بار در اتاق ابر پاتریک بلکیت مشاهده شد که منجر به جایزه نوبل فیزیک ۱۹۴۸ شد. اگر فوتون نزدیک یک هسته اتمی باشد، انرژی یک فوتون را می توان به جفت الکترون-پوزیترون تبدیل کرد:
انرژی فوتون به جرم ذره مطابق معادله اینشتین تبدیل می شود، E=mc2 که:
- E انرژی
- m جرم
- c سرعت نور
است.
فوتون باید انرژی بالاتری نسبت به مجموع انرژی های باقی مانده ی یک الکترون و پوزیترون برای تولید داشته باشد:
2× 0.511 MeV= 1.022 MeV
فوتون باید در نزدیکی یک هسته باشد تا بتواند حفظ حرکت را برآورده کند؛ چرا که زوج الکترون-پوزیترون تولید شده در فضای آزاد نمی تواند برای محافظت از انرژی و شتاب برآورده شود. به همین دلیل، زمانی که تولید زوج اتفاق می افتد، هسته اتمی برخی به حالت قبل باز میگردد. معکوس این فرایند انهدام الکترون-پوزیترون است.
در این حالت یک پرتو گاما که دارای انرژی بسیار بالایی است و یک هسته را تحت تأثیر قرار می دهد، می تواند رفتاری مانند بی نظمی داشته باشد، یعنی مقدار کل انرژی صرفه جویی نمیشود، بلکه ذرات را با جرم ایجاد می کند که الکترون ها و پوزیترون ها یا پروتون ها و آنتی پروتون ها با یک سطح بالاتری از انرژی یا نوترون ها و آنتی نوترون ها.
بنابراین اثر اترون می تواند ماده را مانند معادله انیشتین E=mc2 همانطور که پیش بینی شده مطرح کند (اثر چرنکوف).
در نتیجه فیزیک کوانتومی به وجود آمد زیرا فیزیکدانان مجبور بودند راهی برای توضیح این واقعیت پیدا کنند که تابش انرژی در یک روش گسسته و کوانتیزه گسیل می کند. آنها مجبور شدند تصور کنند که نور موجی است که در برخی موقعیتها مثل یک ذره رفتار میکند.
این مشکل ناشی از ایده انیشتین برای حذف اتر از علم به عنوان یک نتیجه نسبیت خاص است. با این حال، ما در اینجا روشن می کنیم که کل مشکل را می توان با بازنویسی اتر حل کرد. ذرات اتر، اترون ها، ذرات پذیرنده نور هستند. موجی که از طریق اتر به علت نوسان اترها منتقل می شود، موجی از نور است. این یک تفسیر کاملا کلاسیک از طبیعت پدیده الکترومغناطیسی است.
