ควอนตัมของแสงและโฟตอน

ควอนตัมของแสงและโฟตอน นางสาวสุพรรษา ด่อนจันทร์

คำนำ รายงานเรื่องนี้เป็นส่ วนหนึ่งในรายวิชาฟิสิ กส์ ส่ งเสริมให้นักเรียนหาความรู้ ข้อมูลเพิ่มเติมและทำให้การเรียนรู้ดูน่าสนใจ ให้ผู้เรียนมีความสนใจกับการเรียน รู้ด้วยตัวเองมากขึ้น เพื่อเป็นสื่ อการเรียนการสอนให้แก่ผู้เรียน โดยจะทำเสนอ รายงานเล่มนี้ควบคู่ไปกับสื่ อการเรียนการสอนแบบหนังสื ออิเล็กทรอนิกส์ (E- BOOK) เพื่อให้ผู้เรียนสามารถเรียนรู้และศึกษาค้นคว้าได้ด้วยตนเองและได้นำ เ ส น อ ค ว า ม รู้ ที่ ต น เ อ ง ศึ ก ษ า ใ ห้ ผู้ อื่ น ส า ม า ร ถ เ รี ย น รู้ แ ล ะ ทำ ค ว า ม เ ข้ า ใ จ กั บ เ นื้ อ ห า ไ ด้ เปรียบเสมือนร่วมกันแบ่งปั นความรู้ให้กันและกันระหว่างผู้เรียนและสามารถนำ ค ว า ม รู้ ที่ ไ ด้ ไ ป ป ร ะ ยุ ก ต์ ใ น ชี วิ ต ป ร ะ จำ วั น สุ พรรษา ด่อนจันทร์ ผู้จัดทำ

สารบัญ หน้า เรื่อง 1 2 ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก 5 ประวัติ และความเป็นมา 6 แบบฝึกหัด เฉลยแบบฝึกหัด

1 ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (อังกฤษ: photoelectric effect) เป็นปรากฏการณ์ ที่อิเล็กตรอนหลุดออกจากสสาร (เรียกสสารเหล่านี้ว่า โฟโตอีมิสสีฟ) เมื่อสสารนั้น สัมผัสกับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูง (ความยาวคลื่นต่ำ พลังงานสูง เช่น รังสี อัลตราไวโอเล็ต) และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาว่า โฟโตอิเล็กตรอนปรากฏการ ดังกล่าวค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชื่อไฮน์ริช เฮิร์ตซ์ ในปี พ.ศ. 2430 การอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกจะต้องอาศัยคุณสมบัติของแสงในรูปของ อนุภาค โดยเกิดขึ้นได้เมื่ออนุภาคโฟตอน (อนุภาคแสง) ที่มีพลังงานสูงชนกับ อิเล็กตรอนในสสารจึงทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาพร้อมกับมีพลังงานจลน์ติดตัว ออกมาด้วย ซึ่งผู้ที่สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้สมบูรณ์คืออัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เขาจึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี พ.ศ. 2464 และความเข้าใจคุณสมบัติ ความเป็นอนุภาคของแสงส่งผลให้เกิดความเข้าใจในเรื่องทวิภาคของคลื่น–อนุภาค ในเวลาต่อมา

2 ประวัติ และความเป็นมา ในปี 1887 เฮิร์ตซ์พบว่าเมื่อฉายแสงอัลตราไวโอเล็ตไปยังขั้วไฟฟ้าซึ่งอยู่ในวงจร จะมีประจุไฟฟ้าหลุดออกมา ต่อมาฮอลล์วอชส์ (Wilhelm Hallwachs) พบว่าเมื่อมี แสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ จะมีอิเล็กตรอนหลุดออก จากผิวโลหะนั้น ปรากฏการณ์เช่นนี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) และเรียกอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากผิวโลหะที่ถูกแสงว่าโฟ โตอิเล็กตรอน (photoelectron) โดยปกติอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าในโลหะนั้นอยู่ในแถบนำไฟฟ้า (conduction band) อิเล็กตรอนเหล่านี้สามารถเคลื่อนที่ในแถบนำไฟฟ้าได้อย่างอิสระ โดยอิเล็กตรอนจะ ไม่หลุดออกจากโลหะที่อุณหภูมิห้อง ทั้งนี้เนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสซึ่งมี ประจุบวกกับอิเล็กตรอนภายในโลหะ ดังนั้นจึงเปรียบเสมือนกับว่าอิเล็กตรอนอยู่ ภายในโลหะโดยมีกำแพงศักย์ (potential barrier) กั้นอยู่ที่ผิวโลหะ ระดับพลังงาน สูงสุดที่มีอิเล็กตรอนคือระดับแฟร์มี (fermi level)

3 ในปี 1905 ไอสไตน์ได้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกโดยใช้แนว ความคิดของพลังค์ คือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าความถี่ f ที่ตกกระทบผิวโลหะจะ มีลักษณะคล้ายอนุภาคประกอบด้วยพลังงานเล็กๆ E เรียกว่า ควอนตัมของ พลังงานหรือ โฟตอน (photon) โดย E = hf ถ้าพลังงานนี้มีค่ามากกว่าเวิร์ก ฟั งก์ชัน อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากโลหะด้วยพลังงานจลน์มากสุด Ek (max) Ek (max) = hf - W0 จากการศึกษาปรากฏกาณ์โฟโตอิเล็กทริกสรุปได้ดังนี้ 1. อัตราการปล่อยอิเล็กตรอน (หรือ ip) เป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้ม แสง I เมื่อความถี่ f ของแสงและความต่างศักย์มีค่าคงตัว ดังรุปที่ 2 ถ้า เปลี่ยนความถี่หรือชนิดของโลหะจะได้กราฟระหว่าง ip กับ I เป็นเส้นตรง เหมือนเดิมแต่มีความชันเปลี่ยนไป 2. ถ้าความเข้มคงที่และเปลี่ยนความถี่ของแสง จะได้กราฟ ดังรูปที่ 3 ซึ่งมี ความถี่จำกัดค่าหนึ่งที่เริ่มเกิดโฟโตอิเล็กตรอนเรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม f0 (threshold frequency) ความถี่ขีดเริ่มของสารแต่ละชนิดจะไม่เหมือนกัน เมื่อแสงปล่อยพลังงาน hf0</sub> ออกมาในรูปของโฟตอน ซึ่งถ้าเท่ากับ W0 จะได้ Ek (max) = 0 จึงไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะ

4 3.ถ้าความถี่และความเข้มแสงคงตัว แต่เปลี่ยนค่าความต่างศักย์ V ระหว่างขั้วไฟฟ้าจะได้ความสัมพันธ์ของ ip กับ V ดังรูปที่ 4 ที่ความต่าง ศักย์มีค่ามาก อิเล็กตรอนที่หลุดออกมาจะคงเดิมจึงเกิดกระแสอิ่มตัว เมื่อ เพิ่มศักย์ไฟฟ้าเข้าไปก็ไม่สามารถเพิ่มกระแสได้ และถ้าลดความต่างศักย์ กระแสจะลดลงด้วย จนกระทั่งความต่างศักย์เป็นลบที่ค่าหนึ่งจะไม่มี กระแส เรียกศักย์นี้ว่า ศักย์หยุดยั้ง (stopping potential) V s ไม่มี อิเล็กตรอนตัวไหนมีพลังงานจลน์เพียงพอที่จะไปยังขั้วไฟฟ้าได้ ดังนั้น Ek (max) = eV s 4. ถ้าความถี่ต่ำกว่าความถี่ขีดเริ่ม f0 จะไม่มีอิเล็กตรอนหลุดออกมา แส ดงว่าโฟตอนที่ตกกระทบโลหะมีพลังงานน้อยกว่าเวิร์กฟั งก์ชันของสารนั้น แต่ถ้าความถี่เพิ่มขึ้นพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้น ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกนี้คล้ายกับปรากฏการณ์ปล่อยประจุไฟฟ้า เนื่องจากความร้อน (thermionic emission) ซึ่ง เอดิสัน (Edison) เป็น ผู้ค้นพบในปี 1883 ในขณะประดิษฐ์หลอดไฟคือ เมื่อโลหะได้รับความ ร้อนอิเล็กตรอนในโลหะบางตัวจะได้รับพลังงานสูงกว่าเวิร์กฟั งก์ชันใน โลหะและหลุดออกจากโลหะได้

5 แบบฝึกหัด จงจับคู่ให้ตรงกับความหมาย ปรากฏการณ์โฟโตอิ มื่อฉายแสงอัลตราไวโอเล็ต เล็กทริก ไปยังขั้วไฟฟ้าซึ่งอยู่ในวงจร จะมีประจุไฟฟ้าหลุดออกมา อนุภาคโฟตอน ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุด ออกจากสสาร เฮิร์ตซ์ เมื่อมีแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ จะมี อิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะ ฮอลล์วอชส์ อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก โดยใช้แนวความคิดของพลังค์ ไอสไตน์ อนุภาคแสง

6 เฉลยแบบฝึกหัด จงจับคู่ให้ตรงกับความหมาย ปรากฏการณ์โฟโตอิ เมื่อฉายแสงอัลตราไวโอเล็ต เล็กทริก ไปยังขั้วไฟฟ้าซึ่งอยู่ในวงจร จะมีประจุไฟฟ้าหลุดออกมา อนุภาคโฟตอน ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนหลุด ออกจากสสาร เฮิร์ตซ์ เมื่อมีแสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความถี่สูงตกกระทบผิวโลหะ จะมี อิเล็กตรอนหลุดออกจากผิวโลหะ ฮอลล์วอชส์ อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก โดยใช้แนวความคิดของพลังค์ ไอสไตน์ อนุภาคแสง