ફોટોઈલેક્ટ્રોન રેડિયેશન - ભૌતિક અર્થ, કાયદા અને કાર્યક્રમો

ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન (અથવા બાહ્ય ફોટોઈલેક્ટ્રીક અસર) ની ઘટના 1887 માં હેનરીચ હર્ટ્ઝ દ્વારા ખુલ્લા પોલાણના પ્રયોગ દરમિયાન પ્રાયોગિક રીતે શોધી કાઢવામાં આવી હતી. જ્યારે હર્ટ્ઝે ઝીંક સ્પાર્ક પર અલ્ટ્રાવાયોલેટ કિરણોત્સર્ગનું નિર્દેશન કર્યું, તે જ સમયે તેમના દ્વારા ઇલેક્ટ્રિક સ્પાર્ક પસાર કરવાનું નોંધપાત્ર રીતે સરળ હતું.

આમ, ફોટોઈલેક્ટ્રોન રેડિયેશનને શૂન્યાવકાશમાં (અથવા અન્ય માધ્યમમાં) ઈલેક્ટ્રોન પર પડતા ઈલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશનના પ્રભાવ હેઠળ નક્કર અથવા પ્રવાહી પદાર્થોમાંથી ઉત્સર્જનની પ્રક્રિયા કહી શકાય. વ્યવહારમાં સૌથી નોંધપાત્ર એ ઘન પદાર્થોમાંથી ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન છે - શૂન્યાવકાશમાં.

ફોટોઇલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન અથવા બાહ્ય ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરના ત્રણ નિયમો છે:

1. ફોટોકેથોડ પર પડતી સતત સ્પેક્ટ્રલ કમ્પોઝિશન સાથે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક રેડિયેશન સંતૃપ્ત ફોટોક્યુરન્ટ Iનું કારણ બને છે, જેનું મૂલ્ય કેથોડના ઇરેડિયેશનના પ્રમાણસર છે, એટલે કે, 1 સેકન્ડમાં બહાર ફેંકાયેલા (ઉત્સર્જીત) ફોટોઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા પ્રમાણસર છે. ઘટના કિરણોત્સર્ગની તીવ્રતા એફ.

2.દરેક પદાર્થ માટે, તેની રાસાયણિક પ્રકૃતિ અને તેની સપાટીની ચોક્કસ સ્થિતિ અનુસાર, જે આપેલ પદાર્થમાંથી ઇલેક્ટ્રોનનું કાર્ય કાર્ય Ф નક્કી કરે છે, ફોટોઇલેક્ટ્રોન રેડિયેશનની લાંબી-તરંગ (લાલ) મર્યાદા હોય છે, એટલે કે. , લઘુત્તમ આવર્તન v0 જેની નીચે ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસર અશક્ય છે.

3. ફોટોઈલેક્ટ્રોનની મહત્તમ પ્રારંભિક ઝડપ ઘટના કિરણોત્સર્ગની આવર્તન દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે અને તેની તીવ્રતા પર આધાર રાખતી નથી. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ફોટોઈલેક્ટ્રોનની મહત્તમ ગતિ ઊર્જા ઘટના કિરણોત્સર્ગની વધતી આવર્તન સાથે રેખીય રીતે વધે છે અને આ રેડિયેશનની તીવ્રતા પર આધાર રાખતી નથી.

બાહ્ય ફોટોઇલેક્ટ્રિક અસરના નિયમો સૈદ્ધાંતિક રીતે માત્ર સંપૂર્ણ શૂન્ય તાપમાન પર જ સખત રીતે સંતુષ્ટ થશે, જ્યારે હકીકતમાં, T > 0 K પર, ફોટોઇલેક્ટ્રૉન ઉત્સર્જન કટ-ઓફ તરંગલંબાઇ કરતાં વધુ લાંબી તરંગલંબાઇ પર પણ જોવા મળે છે, તેમ છતાં ઓછી સંખ્યામાં ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોન. ઘટના કિરણોત્સર્ગની અત્યંત ઊંચી તીવ્રતા પર (1 W / cm 2 થી વધુ), આ કાયદાઓનું પણ ઉલ્લંઘન થાય છે, કારણ કે મલ્ટિફોટન પ્રક્રિયાઓની તીવ્રતા સ્પષ્ટ અને નોંધપાત્ર બને છે.

શારીરિક રીતે, ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનની ઘટના સતત ત્રણ પ્રક્રિયાઓ છે.

પ્રથમ, ઘટના ફોટોન પદાર્થ દ્વારા શોષાય છે, જેના પરિણામે પદાર્થની અંદર સરેરાશ કરતાં વધુ ઉર્જા ધરાવતું ઇલેક્ટ્રોન દેખાય છે. આ ઈલેક્ટ્રોન શરીરની સપાટી પર જાય છે અને રસ્તામાં તેની ઉર્જાનો એક ભાગ વિખેરાઈ જાય છે, કારણ કે રસ્તામાં આવા ઈલેક્ટ્રોન અન્ય ઈલેક્ટ્રોન અને સ્ફટિક જાળીના સ્પંદનો સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે. અંતે, ઇલેક્ટ્રોન શૂન્યાવકાશ અથવા શરીરની બહારના અન્ય માધ્યમમાં પ્રવેશ કરે છે, આ બે માધ્યમો વચ્ચેની સીમા પર સંભવિત અવરોધમાંથી પસાર થાય છે.

ધાતુઓ માટે લાક્ષણિક છે તેમ, સ્પેક્ટ્રમના દૃશ્યમાન અને અલ્ટ્રાવાયોલેટ ભાગોમાં, ફોટોન વહન ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા શોષાય છે. સેમિકન્ડક્ટર્સ અને ડાઇલેક્ટ્રિક્સ માટે, ઇલેક્ટ્રોન વેલેન્સ બેન્ડમાંથી ઉત્તેજિત થાય છે. કોઈપણ કિસ્સામાં, ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનની માત્રાત્મક લાક્ષણિકતા એ ક્વોન્ટમ ઉપજ છે — Y — ઘટના ફોટોન દીઠ ઉત્સર્જિત ઈલેક્ટ્રોનની સંખ્યા.

ક્વોન્ટમ ઉપજ પદાર્થના ગુણધર્મો પર, તેની સપાટીની સ્થિતિ પર તેમજ ઘટના ફોટોનની ઊર્જા પર આધારિત છે.

ધાતુઓમાં, ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનની લાંબી-તરંગલંબાઈની મર્યાદા તેમની સપાટી પરથી ઈલેક્ટ્રોનના કાર્ય કાર્ય દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. મોટાભાગની સ્વચ્છ સપાટીની ધાતુઓનું કાર્ય કાર્ય 3 eV થી ઉપર હોય છે, જ્યારે આલ્કલી ધાતુઓનું કાર્ય કાર્ય 2 થી 3 eV હોય છે.

આ કારણોસર, અલ્કલી અને આલ્કલાઇન પૃથ્વીની ધાતુઓની સપાટી પરથી ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન માત્ર યુવી જ નહીં, સ્પેક્ટ્રમના દૃશ્યમાન પ્રદેશમાં ફોટોન સાથે વિકિરણ થાય ત્યારે પણ જોઈ શકાય છે. જ્યારે સામાન્ય ધાતુઓમાં, ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જન માત્ર યુવી ફ્રીક્વન્સીઝથી જ શક્ય છે.

આનો ઉપયોગ ધાતુના કાર્ય કાર્યને ઘટાડવા માટે થાય છે: આલ્કલી અને આલ્કલાઇન પૃથ્વી ધાતુઓની એક ફિલ્મ (મોનોએટોમિક સ્તર) એક સામાન્ય ધાતુ પર જમા થાય છે અને આ રીતે ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનની લાલ મર્યાદાને લાંબા તરંગોના પ્રદેશમાં ખસેડવામાં આવે છે.

નજીકના-યુવી અને દૃશ્યમાન પ્રદેશોમાં ધાતુઓની ક્વોન્ટમ ઉપજ Y લાક્ષણિકતા 0.001 ઇલેક્ટ્રોન/ફોટન કરતાં ઓછી છે કારણ કે ધાતુના પ્રકાશ શોષણની ઊંડાઈની સરખામણીમાં ફોટોઈલેક્ટ્રોન લિકેજની ઊંડાઈ ઓછી છે.ફોટોઈલેક્ટ્રોનનો સિંહનો હિસ્સો ધાતુની બહાર નીકળવાની સીમાની નજીક પહોંચતા પહેલા જ તેમની ઊર્જાને વિખેરી નાખે છે, બહાર નીકળવાની કોઈપણ તક ગુમાવે છે.

જો ફોટોન ઊર્જા ફોટો ઉત્સર્જન થ્રેશોલ્ડની નજીક હોય, તો મોટા ભાગના ઇલેક્ટ્રોન શૂન્યાવકાશ સ્તરથી નીચેની ઊર્જા પર ઉત્તેજિત થશે અને તેઓ ફોટોમિશન પ્રવાહમાં યોગદાન આપશે નહીં. આ ઉપરાંત, નજીકના યુવી અને દૃશ્યમાન પ્રદેશોમાં પ્રતિબિંબ ગુણાંક ધાતુઓ માટે ખૂબ વધારે છે, તેથી કિરણોત્સર્ગનો માત્ર ખૂબ જ નાનો અંશ ધાતુ દ્વારા બિલકુલ શોષવામાં આવશે. દૂર UV પ્રદેશમાં આ મર્યાદાઓ ઘટે છે અને Y 10 eV થી ઉપરની ફોટોન ઊર્જા પર 0.01 ઇલેક્ટ્રોન/ફોટન સુધી પહોંચે છે.

આકૃતિ શુદ્ધ તાંબાની સપાટી માટે ફોટોએમિશન ક્વોન્ટમ યીલ્ડની સ્પેક્ટ્રલ અવલંબન દર્શાવે છે:

ધાતુની સપાટીનું દૂષણ ફોટોકરન્ટ ઘટાડે છે અને લાલ મર્યાદાને લાંબા તરંગલંબાઈના પ્રદેશમાં ખસેડે છે; તે જ સમયે, આ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ દૂરના યુવી પ્રદેશ માટે, Y વધી શકે છે.

ફોટોઇલેક્ટ્રોન રેડિયેશન ફોટોઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં એપ્લિકેશન શોધે છે જે વિવિધ શ્રેણીના ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક સંકેતોને ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ અને વોલ્ટેજમાં રૂપાંતરિત કરે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ફોટોઈલેક્ટ્રોન ઉત્સર્જનની ઘટનાના આધારે કામ કરતા ઉપકરણનો ઉપયોગ કરીને અદ્રશ્ય ઇન્ફ્રારેડ સિગ્નલોમાંની છબીને દૃશ્યમાનમાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે. ફોટોઈલેક્ટ્રોન રેડિયેશન પણ કામ કરે છે ફોટોસેલ્સમાં, વિવિધ ઇલેક્ટ્રોનિક-ઓપ્ટિકલ કન્વર્ટર્સમાં, ફોટોમલ્ટિપ્લાયર્સ, ફોટોરેઝિસ્ટર, ફોટોોડિયોડ્સ, ઇલેક્ટ્રોન-બીમ ટ્યુબમાં, વગેરે.

આ પણ જુઓ:સૌર ઉર્જાને વિદ્યુત ઉર્જામાં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયા કેવી રીતે કાર્ય કરે છે