Important Announcement
PubHTML5 Scheduled Server Maintenance on (GMT) Sunday, June 26th, 2:00 am - 8:00 am.
PubHTML5 site will be inoperative during the times indicated!

Home Explore ควอนตัมของแสงและโฟตอน

ควอนตัมของแสงและโฟตอน

Published by Guset User, 2022-01-09 09:44:52

Description: ควอนตัมของแสงและโฟตอน

Search

Read the Text Version

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


Like this book? You can publish your book online for free in a few minutes!
Create your own flipbook