B9E08692-FD4A-4E14-B6DF-813270909C40

ปรากฎการณ์ โฟโตอิ เล็ กทริ ก จัดทำโดย นางสาว อรพิณ จันทะคุณ ชั้น ม.6/1 เลขที่ 35 เสนอ อาจารย์ ไพโรจน์ ขุมขำ หนังสือเล่มนี้เป็ นส่วนหนึ่ งของวิชาฟิ สิกส์ โรงเรียนชาติตระการวิยา อ.ชาติตระการ จ.พิษณุ โลก ภาคเรียนที่ 2 ปี การศึกษา 2564

คำนำ หนังมืออิเล็กทรอนิกส์(E-Book)วิชาฟิ สิกส์เรื่ อง ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 6 เล่มนี้จัดทำขึ้นเพื่อให้ผู้ที่สนใจศึกษา ซึ่งผู้จัดทำได้ รวบรวมเนื้ อหาไว้ในหนังสือเล่มนี้ ซึ่งผู้จัดทำหวังว่าหนังสือเล่มนี้จะเป็ นประโยชน์ แก่ผู้ที่สนใจมาศึกษา หากผิดพลาดประการใด ผู้จัด ทำขออภัยมา ณ ที่นี้ด้วย อรพิณ จันทะคุณ ผู้จัดทำ

สารบัญ เรื่อง หน้า คำนำ ก สารบัญ ข ปรากฏการณ์โฟโตอิ เล็ กทริ ก 1 ประวัติและความเป็ นมา 2 ควอนตัมของแสงและโฟตอน 3 ฟังก์ชันงานและพลังงานจลน์สู งสุ ดของโฟโตอิ เล็ กตรอน 4 จากการศึกษาปรากฏกาณ์โฟโตอิ เล็ กทริ กสรุ ป 5 แบบทดสอบ 6 เฉลยแบบทดสอบ 7

1 ปรากฏการณ์ โฟโตอิ เล็ กทริ ก ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก หมายถึง ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนใน อะตอมของสสารถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อสสารดูดซับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ า (คลื่นแสง) เช่น คลื่นอัลตราไวโอเลต คลื่นรังสีเอก ซ์ เป็นต้น อิเล็กตรอนที่หลุดออกมา เรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีคลื่นแสงที่มีความถี่สูงกว่า ค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ มาตกกระทบบนผิวโลหะ โดยที่โฟตอนจะ ถูกดูดซับเอาไว้ และอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออกมาซึ่งสังเกตได้ จากการพบว่ามีกระแสไฟฟ้ าเกิดขึ้น หากคลื่นที่มาตกกระทบมีความถี่ ต่ำกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ว่าความเข้มของคลื่นแสงจะมีค่า มากเท่าใดก็ตาม จะไม่ทำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้ เพราะพลังงานที่ อิเล็กตรอนได้รับไม่มากพอที่จะชนะพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึก โลหะ (ฟังก์ชันงาน)

2 ประวัติและความเป็ นมา ในปี 1887 เฮิร์ตซ์พบว่าเมื่อฉายแสงอัลตราไวโอเล็ตไปยังขั้วไฟฟ้ าซึ่งอยู่ในวงจร จะ มีประจุไฟฟ้ าหลุดออกมา ต่อมาฮอลล์วอชส์ (Wilhelm Hallwachs) พบว่าเมื่อมีแสงหรือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ าความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะ นั้น ปรากฏการณ์เช่นนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) และ เรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากผิวโลหะที่ถูกแสงว่าโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron) โดยปกติอิเล็กตรอนนำไฟฟ้ าในโลหะนั้นอยู่ในแถบนำไฟฟ้ า (conduction band) อิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ในแถบนำไฟฟ้ าได้อย่างอิสระ โดยอิเล็กตรอนจะไม่ หลุดออกจากโลหะที่อุณหภูมิห้อง ทั้งนี้เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสซึ่งมีประจุ บวกกับอิเล็กตรอนภายในโลหะ ดังนั้นจึงเปรียบเสมือนกับว่าอิเล็กตรอนอยู่ภายในโลหะ โดยมีกำแพงศักย์ (potential barrier) กั้นอยู่ที่ผิวโลหะ ระดับพลังงานสูงสุดที่มี อิเล็กตรอนคือระดับแฟร์มี (fermi level) อิเล็กตรอนที่เกาะอยู่กับอะตอมจะเกาะอยู่ด้วยพลังงานยึดเหนี่ยวค่าหนึ่งคือ work function ในปี 1905 ไอสไตน์ได้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยใช้แนวความคิดของ พลังค์ คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ าความถี่ f ที่ตกกระทบผิวโลหะจะมีลักษณะคล้ายอนุภาค ประกอบด้วยพลังงานเล็กๆ E เรียกว่า ควอนตัมของพลังงานหรือ โฟตอน(photon) โดย E = hf ถ้าพลังงานนี้มีค่ามากกว่าเวิร์กฟังก์ชัน อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากโลหะด้วย พลังงานจลน์มากสุด Ek (max) Ek (max) = hf - W0

3 ควอนตัมของแสง และโฟตอน ในปี พ.ศ. 2430 ไฮน์ริช รูดอล์ฟ แฮทซ์ ได้ค้นพบปรากฏการณ์ที่ เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโต้อิเล็ก ทริก ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่ อิเล็กตรอนหลุดจากผิวโลหะเมื่อมี แสงที่มีความถี่เหมาะสมมาตกกระ ทบโดยเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออก มานี้ว่า โฟโตอิเล็กตรอน และเกิด กระแสโฟโตอิเล็กตรอน ผลการทดลอง หัวข้อที่ศึกษา : พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโต้อิเล็กตรอน ผลของการทดลอง •พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน ไม่ขึ้นกับความเข้ม แสงแต่ขึ้นกับความถี่ของแสง •หากใช้แสงที่มีความเข้มข้มต่างกันแต่มีความถี่เท่ากัน พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะมีค่าเท่ากัน •หากใช้ความเข้มแสงเท่ากันแสงที่มีความถี่มากกว่า พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะมีค่ามากกว่าเมื่อใช้ แสงที่มีความถี่ต่ำกว่า แนวคิดฟิ สิกส์แบบฉนับ : พลังงานจลน์สูงสุดแบบโฟโต อิเล็กตรอนขึ้นกับความเข้มแสงแสงที่มีความเข้มสูง พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนจะมีค่ามาก

4 ฟังก์ชันงานและพลังงานจลน์สู งสุ ด ของโฟโตอิ เล็ กตรอน ไอน์สไตน์(Einstein) ได้อธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟ โตอิเล็กทริก โดยเสนอทฤษฎีเกี่ยวกับโฟโตอิเล็กตรอนว่า เมื่ อแสงซึ่งมีลักษณะเป็ นอนุภาคที่ประกอบด้วยก้อนพลังงาน เล็ก ๆ เรียกว่า โฟตอน (Photon) โดยโฟตอนแต่ละก้อนจะมี พลังงานเท่ากับ เมื่อโฟตอนตกกระทบโลหะ พลังงาน ของ โฟตอนจะถ่ายให้กับอิเล็กตรอนในโลหะตัวต่อตัว และในการ ที่อิเล็กตรอนจะหลุดจากอะตอมของผิวโลหะ อิเล็กตรอนจะ ต้องได้รับพลังงานจากโฟตอนอย่างน้ อยเท่ากับค่าฟังก์ชันงาน (Work Function) ซึ่งเป็นพลังงานยึดเหนี่ยวอิเล็กตรอนไว้กับ อะตอมนั้น ถ้าพลังงานที่ได้รับมากกว่าค่าฟังค์ชันงาน พลังงานส่วนที่เหลือจะปรากฏเป็ นพลังงานจลน์ของ อิเล็กตรอน

5 จากการศึกษาปรากฏกาณ์ โฟโตอิ เล็ กทริ กสรุ ป 1. อัตราการปล่อยอิเล็กตรอน (หรือ ip) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มแสง I เมื่อความถี่ f ของแสงและความต่างศักย์มีค่าคงตัว ดังรุปที่ 2 ถ้าเปลี่ยนความถี่ หรือชนิดของโลหะจะได้กราฟระหว่าง ip กับ I เป็นเส้นตรงเหมือนเดิมแต่มี ความชันเปลี่ยนไป 2. ถ้าความเข้มคงที่และเปลี่ยนความถี่ของแสง จะได้กราฟ ดังรูปที่ 3 ซึ่งมี ความถี่จำกัดค่าหนึ่งที่เริ่มเกิดโฟโตอิเล็กตรอนเรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม f0 (threshold frequency) ความถี่ขีดเริ่มของสารแต่ละชนิดจะไม่เหมือนกัน เมื่อ แสงปล่อยพลังงาน hf0</sub> ออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งถ้าเท่ากับ W0 จะได้ Ek (max) = 0 จึงไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะ 3.ถ้าความถี่และความเข้มแสงคงตัว แต่เปลี่ยนค่าความต่างศักย์ V ระหว่างขั้ว ไฟฟ้ าจะได้ความสัมพันธ์ของ ip กับ V ดังรูปที่ 4 ที่ความต่างศักย์มีค่ามาก อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะคงเดิมจึงเกิดกระแสอิ่มตัว เมื่อเพิ่มศักย์ไฟฟ้ าเข้าไป ก็ไม่สามารถเพิ่มกระแสได้ และถ้าลดความต่างศักย์กระแสจะลดลงด้วย จน กระทั่งความต่างศักย์เป็นลบที่ค่าหนึ่งจะไม่มีกระแส เรียกศักย์นี้ว่า ศักย์หยุดยั้ง (stopping potential) V s ไม่มีอิเล็กตรอนตัวไหนมีพลังงานจลน์เพียงพอที่จะ ไปยังขั้วไฟฟ้ าได้ ดังนั้น Ek (max) = eV s 4. ถ้าความถี่ต่ำกว่าความถี่ขีดเริ่ม f0 จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมา แสดงว่าโฟ ตอนที่ตกกระทบโลหะมีพลังงานน้ อยกว่าเวิร์กฟังก์ชันของสารนั้น แต่ถ้าความถี่ เพิ่มขึ้นพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนี้คล้ายกับปรากฏการณ์ปล่อยประจุไฟฟ้ าเนื่องจาก ความร้อน (thermionic emission) ซึ่ง เอดิสัน (Edison) เป็นผู้ค้นพบในปี 1883 ในขณะประดิษฐ์หลอดไฟคือ เมื่อโลหะได้รับความร้อนอิเล็กตรอนในโลหะ บางตัวจะได้รับพลังงานสูงกว่าเวิร์กฟั งก์ชันในโลหะและหลุดออกจากโลหะได้

6 แบบทดสอบ 1.จากการทดลองเพื่อศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ข้อสรุปต่อไปนี้ข้อใดถูกต้อง 1. พลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงเท่านั้น 2. สำหรับแสงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่ม จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มมากขึ้น เป็ นปฏิภาคกับความถี่ที่เพิ่มขึ้น 3. เนื่องจากแสงมีสมบัติเป็นคลื่นเมื่อมีความเข้มสูงก็จะมีพลังงานมาก ทำให้โฟโต อิเล็กตรอนมีพลังงานมากด้วย 4. เมื่อแสงที่ตกกระทบโลหะมีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่มจะเกิดโฟโตอิเล็กตรอนขึ้น ก. ข้อ 1 และ 3 ข. ข้อ 2 และ 4 ค. ข้อ 4 เท่านั้น ง. คำตอบเป็นอย่างอื่น 2.จากการศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก สรุปได้ว่า ก. เมื่อแสงมีความถี่เท่ากับความถี่ขีดเริ่ม ตกกระทบที่ผิวโลหะ จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุด จากผิวโลหะ ข. แสงที่มีความถี่ค่าเดียวตกกระทบผิวโลหะต่างชนิดกัน จะให้โฟโตอิเล็กตรอนที่มี พลังงานจลน์สูงสุดเท่ากัน ค. เมื่อเพิ่มความเข้มแสงที่ตกกระทบผิวโลหะ กระแสโฟโตอิเล็กตรอนจะมีค่าเพิ่มขึ้น ง. เมื่อเพิ่มความเข้มแสงที่ตกกระทบผิวโลหะ จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะเท่าเดิมแต่มี พลังงานสูงขึ้น 3.เป็นที่ทราบกันแล้วว่า อิเล็กตรอนในโลหะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ และมักจะพบ เสมอว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อยู่ตามบริเวณผิวของโลหะ เหตุที่อิเล็กตรอนไม่เคลื่อนที่ ต่อไปในอากาศ เพื่อหนีออกจากโลหะเพราะ ก. อากาศไม่เป็นตัวนำไฟฟ้ า ข. อิเล็กตรอนมีพลังงานน้ อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของโลหะ ค. อากาศมีแรงเสียดทานมาก ง. อิเล็กตรอนถูกอะตอมของโลหะยึดจับไว้

7 เฉลยแบบทดสอบ 1.จากการทดลองเพื่อศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ข้อสรุปต่อไปนี้ข้อใดถูกต้อง 1. พลังงานสูงสุดของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงเท่านั้น 2. สำหรับแสงที่มีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่ม จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะเพิ่มมากขึ้น เป็ นปฏิภาคกับความถี่ที่เพิ่มขึ้น 3. เนื่องจากแสงมีสมบัติเป็นคลื่นเมื่อมีความเข้มสูงก็จะมีพลังงานมาก ทำให้โฟโต อิเล็กตรอนมีพลังงานมากด้วย 4. เมื่อแสงที่ตกกระทบโลหะมีความถี่สูงกว่าความถี่ขีดเริ่มจะเกิดโฟโตอิเล็กตรอนขึ้น ก. ข้อ 1 และ 3 ข. ข้อ 2 และ 4 ค. ข้อ 4 เท่านั้น ง. คำตอบเป็นอย่างอื่น ตอบ ค. ข้อ 4 เท่านั้น 2.จากการศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก สรุปได้ว่า ก. เมื่อแสงมีความถี่เท่ากับความถี่ขีดเริ่ม ตกกระทบที่ผิวโลหะ จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุด จากผิวโลหะ ข. แสงที่มีความถี่ค่าเดียวตกกระทบผิวโลหะต่างชนิดกัน จะให้โฟโตอิเล็กตรอนที่มี พลังงานจลน์สูงสุดเท่ากัน ค. เมื่อเพิ่มความเข้มแสงที่ตกกระทบผิวโลหะ กระแสโฟโตอิเล็กตรอนจะมีค่าเพิ่มขึ้น ง. เมื่อเพิ่มความเข้มแสงที่ตกกระทบผิวโลหะ จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนจะเท่าเดิมแต่มี พลังงานสูงขึ้น ตอบ ค. เมื่อเพิ่มความเข้มแสงที่ตกกระทบผิวโลหะ กระแสโฟโตอิเล็กตรอนจะมีค่าเพิ่มขึ้น 3.เป็นที่ทราบกันแล้วว่า อิเล็กตรอนในโลหะสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ และมักจะพบ เสมอว่าอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่อยู่ตามบริเวณผิวของโลหะ เหตุที่อิเล็กตรอนไม่เคลื่อนที่ ต่อไปในอากาศ เพื่อหนีออกจากโลหะเพราะ ก. อากาศไม่เป็นตัวนำไฟฟ้ า ข. อิเล็กตรอนมีพลังงานน้ อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของโลหะ ค. อากาศมีแรงเสียดทานมาก ง. อิเล็กตรอนถูกอะตอมของโลหะยึดจับไว้ ตอบ ข. อิเล็กตรอนมีพลังงานน้ อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวของโลหะ