جمعه، مهر ۲۷، ۱۳۸۶

داستان پایان‌نامه‌ی من - قسمت هشتم

اثر فوتوالکتریک

پذیرفتن ماهیت ذرّه‌ای برای نور، آن گونه که پلانک پیشنهاد کرد، شاید در توجیه تابش جسم سیاه بسیار موفّقیّت‌آمیز بوده‌باشد، امّا چگونگی رسیدن به این موفّقیّت شامل مراحل ریاضی زیادی است. در برابر، با استفاده از مدل ذرّه‌ای برای نور، می‌شود پدیده‌ای را به صورت سرراست توضیح داد که توضیح آن با استفاده از مدل موجی ناممکن به نظر می‌رسد: پدیده‌ی فوتوالکتریک.

پلانک پیشنهاد کرده‌بود که پرتوهای نور به صورت بسته‌بسته گسیل می‌شوند و انرژی هر ذرّه (بسته) نیز متناسب با فرکانس نور است: E=hf که در آن E انرژی ذرّه، h ثابت پلانک و f فرکانس نور (یا ذرّه‌ی نور) است.

در اوائل قرن بیستم، فیزیک‌پیشگان متوجّه شدند که نمی‌توانند با مدل موجی برای نور، پدیده‌ی فوتوالکتریک را شرح دهند. قبل از این که بگویم پدیده‌ی فوتوالکتریک چیست، باید کمی درباره‌ی ساختار جامدات فلزّی توضیح بدهم. می‌دانید که در یک فلز، بعضی از الکترون‌ها تقریباً آزاد هستند و می‌توانند در درون فلز حرکت کنند، بی آن که مقیّد به اتم خاصّی باشند. امّا این به آن معنی نیست که این الکترون‌ها کاملاً آزاد باشند. این مسأله شبیه آن است که شما در کشور خودتان آزاد هستید که هر کجا خواستید بروید، امّا آزاد نیستید بدون انجام تشریفات اداری از کشورتان خارج شوید. در یک فلز هم چیزی وجود دارد به نام تابع کار (work function). تابع کار مقدار انرژی منفی‌ای است که تقریباً هر کدام از این الکترون‌های آزاد دارند. انرژی منفی دیگر چیست؟ اگر شما بتوانید یکی از این الکترون‌ها را از فلز خارج کنید، به شکلی که انرژی اضافه‌ای برایش باقی نماند، عملاً الکترون را به یک ذرّه‌ی آزاد تبدیل کرده‌اید. امّا برای این منظور باید انرژی صرف کنید (انرژی مثبت) و به الکترون بدهید تا از فلز بیرون بیاید. پس الکترون درون فلز در واقع انرژی منفی داشته. هر جا که یک حالت مقیّد وجود داشته‌باشد، مثلاً برای الکترون‌های درون یک اتم که به هسته مقیّد شده‌اند، انرژی کلّ ذرّه‌ی مقیّد منفی است. تابع کار یک فلز، مقدار این انرژی منفی به ازای هر الکترون است. تابع کار از یک فلز به فلز دیگر تغییر می‌کند و یکی از مشخّصات هر فلز است.

پدیده‌ی فوتواالکتریک به این شکل است: پرتوهای نور را به سطح یک فلز می‌تابانیم. بعضی از این پرتوها به الکترون‌های آزاد درون فلز می‌خورند و ممکن است انرژی لازم برای خروج از فلز را به الکترون‌ها بدهند، یعنی انرژی‌ای بیشتر از تابع کار فلز. اگر قائل به ماهیت موجی برای نور باشیم، با افزایش شدّت نور باید الکترون‌های بیشتری از فلز کنده شوند و در ضمن باید انرژی الکترون‌های کنده‌شده بیشتر شود. طبق مدل موجی، تاباندن نور با هر فرکانسی می‌تواند منجر به پدیده‌ی فوتوالکتریک شود، مشروط بر این که شدّت تابش به اندازه‌ی کافی زیاد باشد. امّا مدل ذرّه‌ای می‌گوید اگر انرژی هر ذرّه، که متناسب با فرکانس آن است، از تابع کار فلز کمتر باشد، هیچ الکترونی از سطح فلز کنده نخواهد‌شد، هرچند که نوری با شدّت بسیار زیاد (یعنی تعداد خیلی زیادی فوتون) هم به کار ببریم. در ضمن طبق دیدگاه ذرّه‌ای اگر نوری با شدّت خیلی کم، امّا با فرکانس به حدّ لازم بزرگ را به سطح فلز بتابانیم، باز هم الکترون‌ها کنده می‌شوند، امّا با شدّت کمتر. طبق مدل موجی در این حالت هیچ الکترونی نمی‌تواند کنده شود. الکترون‌های کنده شده را در هر حالت می توان با اندازه‌گیری جریان الکتریکی‌ای که ایجاد می‌کنند آشکارسازی نمود. معمولاً از یک منبع نوری فرابنفش برای آزمایش فوتوالکتریک استفاده می‌شود. منابع نوری با فرکاس‌های کمتر (مثلاً در محدوده‌ی نور مرئی) گاهی به کار می‌روند تا ثابت شود که در این فرکانس‌ها هیچ الکترونی کنده نمی‌شود. بنابراین انرژی فوتون‌های فرابنفش تقریباً به اندازه‌ی تابع کار فلزهای متداول است.

پلانک پیش‌نهاد کرده‌بود که نور به شکل ذرّ‌ه‌ای گسیل شود. او هر گز نگفته‌بود که میدان الکترومغناطیسی خودش ماهیت ذرّه‌ای دارد. امّا برای توصیف اثر فوتوالکتریک با یک مدل ذرّه‌ای برای نور، فقط ذرّه‌ای دانستن فرایند گسیل کافی نبود. لازم بود خود میدان الکترومغناطیسی هم ذرّه‌ای فرض شود. این کار تقریباً محال به نظر می‌رسید، چرا که در قرن هجدهم نیوتون ماهیت ذرّه‌ای را برای نور پیشنهاد کرده‌بود و در قرن نوزدهم این دیدگاه به تدریج به نفع دیدگاه موجی کنار گذاشته شده‌بود. وقتی مدلی که یک دانشمند بزرگ پیشنهاد کرده، به تدریج کنار می‌رود و مدل جایگزین آن موفّقیّت‌های زیادی به دست می‌آورد، بازگشت به مدل اوّلیه بسیار سخت می‌شود. کسی که شجاعت و بینش لازم برای این کار را داشت، آلبرت آینشتاین بود. آینشتاین ماهیت ذرّه‌ای را نه به فرایند گسیل، بلکه به خود میدان الکترومغناطیسی نسبت داد. بر این اساس انرژی الکترون‌هایی که از سطح فلز کنده می‌شوند، حدّاکثر با تفاضل انرژی یک ذرّه‌ی نور (فوتون) و تابع کار فلزّ هدف برابر است.

بر خلاف نظریه‌ی پلانک که بلافاصله مورد پذیرش قرار گرفت، نظریه‌ی آینشتاین که در سال 1905 ارائه شد، مخالفت لجوجانه‌ی جامعه‌ی فیزیک‌پیشگان را در برابر خود دید. تقریباً 20 سال مبارزه‌ی آینشتاین و البته بعضی کارهای فیزیک‌پیشگان دیگر بود که سرانجام منجر به پذیرش مدل ذرّه‌ای برای نور شد. پس اگر اسم آینشتاین را جایی شنیدید یا خواندید، فقط نسبیت را به یاد نیاورید. در واقع آینشتاین هرگز برای نسبیت جایزه‌ی نوبل دریافت نکرد، امّا به خاطر توصیف اثر فوتوالکتریک این جایزه را گرفت.

رابرت میلیکان در سال 1916 بررسی بررسی گسترده‌ی خود روی اثر فوتوالکتریک را به اتمام رساند و در گزارش خود نوشت:

«ظواهر نشان می‌دهند که معادله‌ی فوتوالکتریک آینشتاین ... در همه‌ی موارد نتایج مشاهده‌شده را پیش‌بینی می‌کند. با این حال مدل شبه‌ذر‌ه‌ای که آینشتاین با آن به معادله‌ی خود رسیده در حال حاضر کاملاً غیر قابل دفاع به نظر می‌رسد.»

(پروفسور کمال‌الدّین جناب، استاد فقید گروه فیزیک دانشگاه تهران، شاگرد رابرت میلیکان در Caltech بود.)

قدم نهائی در پذیرش مدل آینشتاین، آزمایش کامپتون بود که در سال 1923 انجام شد و امیدوارم در پست بعدی از این سری به آن بپردازم.

ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

توضیح تکمیلی: پانزدهم مهرماه از پایان‌نامه‌ام دفاع کردم و پرونده‌اش بسته شد، امّا این سری پستها را تا نقطه‌ی پایانی منطقی ادامه می‌دهم. امیدوارم به درد کسی بخورد.

برچسب‌ها: ,

1 Comments:

At دوشنبه, مهر ۳۰, ۱۳۸۶ ۸:۱۷:۰۰ قبل‌ازظهر, Anonymous ناشناس said...

سلام هموطن ایرانی. سایت یاهو که آدرس ایمیل من و شما در آن قرار دارد و روزانه با مسنجرش چت می‌کنیم، نام کشور من و تو را از لیست کشورهایش در صفحه‌ی ثبت نام حذف کرده. اگر غیرت و عرق ملی‌ات اجازه نمی‌دهداین ننگ را بپذیری، با لینک دادن به صفحه‌ی http://helloyahoo.net از طریق کلیدواژه‌ی Yahoo mail به بمب درحال پیشرفت علیه یاهو کمک کنید تا کوچکترین وظیفه‌ی ما به کشورمان ادا شده باشد... متشکرم

 

ارسال یک نظر

Links to this post:

ایجاد یک پیوند

<< Home