ฟิสิกส์อะตอม

ฟิ สิกส์อะตอม

ปรากฎการณ์โฟโตอ้ ิเลก็ ทริก

ปรากฏการณ์โฟโตอเิ ลก็ ทริก

จดุ ประสงค์การเรียนรู้
1.อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเลก็ ทริก
2.อธิบายและคานวณพลงั งานโฟตอน พลงั งานจลน์สูงสุดของโฟโต
อิเลก็ ตรอน และฟังกช์ นั งานของโลหะ

ควอนตมั ของแสงและโฟตอน

ในปี พ.ศ. 2430 เฮิรตซไ์ ดส้ งั เกตเห็นวา่ เม่ือแสงที่มีความยาวคลื่นส้นั หรือความถ่ีสูงตก
กระทบผวิ โลหะ จะทาใหอ้ นุภาคที่มีประจุไฟฟ้าหลดุ ออกมาจากโลหะได้ ปรากฏการณ์น้ี

มีช่ือเรียกวา่ ปรากฏการณ์โฟโตอเิ ลก็ ทริก (photoelectric effect) เนื่องจากเป็น
ปรากฏการณ์ท่ีเกี่ยวขอ้ งท้งั แสงและไฟฟ้า

ควอนตมั ของแสงและโฟตอน

จานวนโฟโตอเิ ลก็ ตรอนทเี่ กดิ ขนึ้

เม่ือเพมิ่ ความ
เขม้ แสงท่ีตก
กระทบแผน่

โลหะ

จะพบวา่ กระแสโฟโตอิเลก็ ตรอนใน
วงจรเพิม่ มากข้ึน

ควอนตมั ของแสงและโฟตอน

จานวนโฟโตอเิ ลก็ ตรอนทเ่ี กดิ ขนึ้

สรุปได้ว่า
โฟโตอเิ ลก็ ตรอนจะมจี านวนมากขนึ้

เม่ือความเข้มแสงมากขนึ้

ควอนตัมของแสงและโฟตอน

พลังงานจลนข์ องโฟโตอเิ ลก็ ตรอน

=

=
=

ควอนตมั ของแสงและโฟตอน

ผลการทดลอง
1. เมื่อฉายแสงความถ่ีค่าหน่ึง โดยให้มคี วามเข้มต่างๆกนั ตกกระทบผวิ โลหะ
พบว่า ความต่างศักย์หยุดย้งั มคี ่าเท่าเดมิ
2. เม่ือฉายแสงท่มี คี วามถม่ี ากขนึ้ พบว่า ความต่างศักย์หยุดย้งั จะมากขนึ้ ด้วย

สรุปผลการทดลอง
พลงั งานจลน์สูงสุดของโฟโตอเิ ลก็ ตรอนมีค่าขนึ้ กบั ความถ่ีของแสงท่ใี ช้

แต่จะไม่ขนึ้ กบั ความเข้มของแสง

ควอนตมั ของแสงและโฟตอน

- ถา้ ใชแ้ สงที่มีความถี่สูงกวา่ f0 => เกิดโฟโตอิเลก็ ตรอนข้ึน และอิเลก็ ตรอนที่หลุดออกมา
จะมีพลงั งานจลน์สูงสุดค่าหน่ึง
- ถา้ ใชแ้ สงท่ีมีความถ่ีเท่ากบั f0 => จะทาใหอ้ ิเลก็ ตรอนพอดีหลุดออกจากผิวโลหะโดยไม่มี
พลงั งานจลน์
- ถา้ ใชแ้ สงท่ีมีความถี่ต่ากวา่ f0 => จะไม่มีอิเลก็ ตรอนหลดุ จากผิวโลหะเลย ไมว่ า่ จะใชแ้ สง
ความเขม้ เท่าใด กจ็ ะไมท่ าใหเ้ กิดกระแสโฟโตอิเลก็ ตรอนเลย

ควอนตัมของแสงและโฟตอน

ผลการศึกษาปรากฏการณ์โฟโตอิเลก็ ทริก

1. โฟโตอิเลก็ ตรอนจะเกิดข้ึน เมื่อแสงที่ตกกระทบโลหะมคี วามถ่ี
อยา่ งนอ้ ยเท่ากบั ความถ่ีขีดเริ่ม และโฟโตอิเลก็ ตรอนจะเกิดทนั ที่
แสงตกกระทบผิวของโลหะ
2. จานวนโฟโตอิเลก็ ตรอนจะเพิม่ ข้ึน ถา้ แสงท่ีใชม้ ีความเขม้ แสง
มากข้ึน
3. พลงั งานจลนส์ ูงสุดของอิเลก็ ตรอนไมข่ ้ึนกบั ความเขม้ แสง แต่
ข้ึนกบั ความถ่ีของแสง

ฟังก์ชันงานและพลงั จลน์สูงสุดของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน

ไอน์สไตนอ์ ธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเลก็ ทริก โดยอาศยั สมมติฐานของพลงั คท์ ี่วา่
แสงเป็ นก้อนพลงั งานท่เี รียกว่า ควอนตัมของพลงั งาน

แต่ไอน์สไตน์ เรียกว่า โฟตอน (photon) จะมีสมการคือ = ℎ

เม่ือโฟตอน 1 โฟตอน ตกกระทบบนผิวโลหะ จะถา่ ยโอน
พลงั งานท้งั หมดใหก้ บั อิเลก็ ตรอน 1 อิเลก็ ตรอน

ถา้ ความถี่ของแสงที่ใชม้ ีค่าเท่ากบั ความถ่ีขีดเริ่ม f0 กจ็ ะ
เกิดโฟโตอิเลก็ ตรอนหลุดออกจากผวิ โลหะพอดี และ
พลงั งานของโฟตอนจะเท่ากบั ฟังกช์ นั งานของโลหะ

จะมีสมการคือ hf0 = W

ฟังก์ชันงานและพลงั จลน์สูงสุดของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน

ไอนส์ ไตน์อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเลก็ ทริก โดยอาศยั สมมติฐานของพลงั คท์ ี่วา่
แสงเป็ นก้อนพลงั งานท่ีเรียกว่า ควอนตัมของพลงั งาน

แต่ไอน์สไตน์ เรียกว่า โฟตอน (photon) จะมีสมการคือ = ℎ

หากความถ่ีของแสงที่ใชม้ ีค่ามากกวา่ ความถี่ขีดเริ่ม
อิเลก็ ตรอนท่ีหลุดจากผวิ โลหะจะมีพลงั งานจลน์
ตามสมการ hf = W + Ekmax

ฟังก์ชันงานและพลงั จลน์สูงสุดของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน

= ℎ −
= ℎ −

ℎ
= −

ฟังก์ชันงานและพลงั จลน์สูงสุดของโฟโตอเิ ลก็ ตรอน

= ℎ − = ℎ −

แสงแสดงสมบตั ขิ อง
อนุภาคได้

ปรากฎการณ์คอมป์ ตัน

เป็นปรากฏการณ์หน่ึงท่ีสนบั สนุนความคิดของไอน์สไตนท์ ่ีวา่ คลื่นแมเ่ หลก็ ไฟฟ้ามีสมบตั ิเป็นอนุภาค

ในปี พ.ศ. 2466 คอมป์ ตนั และเดบาย ไดท้ ดลองฉายรังสี
เอกซท์ ่ีมีความยาวคลื่นค่าเดียวใหก้ ระทบอิเลก็ ตรอนในแท่ง
แกรไฟต์ ปรากฏวา่ มีอิเลก็ ตรอนและรังสีเอกซ์กระเจิงออกมา

ปรากฎการณ์คอมป์ ตัน

ผลการทดลอง
- ความยาวคลื่นของรังสีเอกซ์ท่ีกระเจิงออกมามีท้งั ความยาวคล่ืนเท่าเดิมที่และมากกวา่ เดิม

- ความยาวคลื่นที่มากกวา่ เดิมน้ีแปรผนั กบั มุมท่ีกระเจิง คือรังสีเอกซ์ยงิ่ เบ่ียงเบนจากแนวเดิมมาก ความ
ยาวคล่ืนยง่ิ มีคา่ มากข้ึนดว้ ย

- ความยาวคล่ืนที่เปลี่ยนไปน้ีไม่ข้ึนกบั ความเขม้ ของรังสีเอกซ์ที่กระทบอิเลก็ ตรอน

คอมป์ ตนั อาศยั แนวคิดควอนตมั ของพลงั งานของไอนส์ ไตนม์ าอธิบาย
โดยคิดวา่ รังสีเอกซ์ เป็นโฟตอน ดงั น้นั การชนระหวา่ งโฟตอนกบั

อิเลก็ ตรอนเป็นการชนระหวา่ งอนุภาคกบั อนุภาค

คาถาม

เม่ือแสงกระทบผวิ โลหะ 3 ชนิด ไดแ้ ก่ โซเดียม ทองแดง และทองคา ถา้ แสงที่ตกกระทบมี
พลงั งาน เท่ากบั 6 อิเลก็ ตรอนโวลต์ จงเรียงลาดบั พลงั งานจลนส์ ูงสุดของโฟโตอิเลก็ ตรอนของ
โลหะท้งั สาม จากนอ้ ยไปมาก โดยใชข้ อ้ มูลจากตาราง 19.2

ค่าพลงั งานจลนส์ ูงสุดของโฟโตอิเลก็ ตรอนมีค่าคงตวั หรือไม่ สาหรับโลหะแต่ละชนิด

คาถาม

ในการทดลองปรากฏการณ์โฟโตอิเลก็ ทริก ความเขม้ ของแสงท่ีตกกระทบผวิ โลหะมีผลต่อ
ความต่างศกั ยห์ ยดุ ย้งั หรือไม่ จงอธิบาย

ในการทดลองโฟโตอิเลก็ ทริก ผทู้ ดลองฉายแสงที่มีความยาวคล่ืนเฉพาะค่าหน่ึงไปตกกระทบ
ผวิ โลหะ พบวา่ อิเลก็ ตรอนจานวนหน่ึงหลดุ ออกจากผิวโลหะ ถา้ ตอ้ งการใหอ้ ิเลก็ ตรอนที่หลดุ
ออกมาจากผิวโลหะน้ีมีจานวนเพม่ิ ข้ึน และพลงั งานจลนข์ องอิเลก็ ตรอนแต่ละอนุภาคเพ่ิมข้ึน
ผทู้ ดลองควรทาอยา่ งไร