Chapter-11 Dual Nature of Radiation and Matter
11.1 INTRODUCTION
The Maxwell’s equations of electromagnetism and Hertz experiments on the generation and detection of electromagnetic waves in 1887 strongly established the wave nature of light. Towards the same period at the end of 19th century, experimental investigations on conduction of electricity (electric discharge) through gases at low pressure in a discharge tube led to many historic discoveries. The discovery of X-rays by Roentgen in 1895, and of electron by J. J. Thomson in 1897, were important milestones in the understanding of atomic structure. It was found that at sufficiently low pressure of about $0.001 \mathrm{~mm}$ of mercury column, a discharge took place between the two electrodes on applying the electric field to the gas in the discharge tube. A fluorescent glow appeared on the glass opposite to cathode. The colour of glow of the glass depended on the type of glass, it being yellowish-green for soda glass. The cause of this fluorescence was attributed to the radiation which appeared to be coming from the cathode. These cathode rays were discovered, in 1870, by William Crookes who later, in 1879, suggested that these rays consisted of streams of fast moving negatively charged particles. The British physicist J. J. Thomson (1856-1940) confirmed this hypothesis. By applying mutually perpendicular electric and magnetic fields across the discharge tube, J. J. Thomson was the first to determine experimentally the speed and the specific charge [charge to mass ratio $(\mathrm{e} / \mathrm{m})$ ] of the cathode ray particles. They were found to travel with speeds ranging from about 0.1 to 0.2 times the speed of light $\left(3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\right)$. The presently accepted value of $e / \mathrm{m}$ is $1.76 \times 10^{11} \mathrm{C} / \mathrm{kg}$. Further, the value of $e / \mathrm{m}$ was found to be independent of the nature of the material/metal used as the cathode (emitter), or the gas introduced in the discharge tube. This observation suggested the universality of the cathode ray particles.
Around the same time, in 1887, it was found that certain metals, when irradiated by ultraviolet light, emitted negatively charged particles having small speeds. Also, certain metals when heated to a high temperature were found to emit negatively charged particles. The value of $e / m$ of these particles was found to be the same as that for cathode ray particles. These observations thus established that all these particles, although produced under different conditions, were identical in nature. J. J. Thomson, in 1897, named these particles as electrons, and suggested that they were fundamental, universal constituents of matter. For his epoch-making discovery of electron, through his theoretical and experimental investigations on conduction of electricity by gasses, he was awarded the Nobel Prize in Physics in 1906. In 1913, the American physicist R. A. Millikan (1868-1953) performed the pioneering oil-drop experiment for the precise measurement of the charge on an electron. He found that the charge on an oil-droplet was always an integral multiple of an elementary charge, $1.602 \times 10^{-19} \mathrm{C}$. Millikan’s experiment established that electric charge is quantised. From the values of charge $(e)$ and specific charge $(e / m)$, the mass $(m)$ of the electron could be determined.
11.2 ELECTRON EMISSION
We know that metals have free electrons (negatively charged particles) that are responsible for their conductivity. However, the free electrons cannot normally escape out of the metal surface. If an electron attempts to come out of the metal, the metal surface acquires a positive charge and pulls the electron back to the metal. The free electron is thus held inside the metal surface by the attractive forces of the ions. Consequently, the electron can come out of the metal surface only if it has got sufficient energy to overcome the attractive pull. A certain minimum amount of energy is required to be given to an electron to pull it out from the surface of the metal. This minimum energy required by an electron to escape from the metal surface is called the work function of the metal. It is generally denoted by $\phi_{0}$ and measured in eV (electron volt). One electron volt is the energy gained by an electron when it has been accelerated by a potential difference of 1 volt, so that $1 \mathrm{eV}=1.602 \times 10^{-19} \mathrm{~J}$.
This unit of energy is commonly used in atomic and nuclear physics. The work function $\left(\phi_{0}\right)$ depends on the properties of the metal and the nature of its surface.
The minimum energy required for the electron emission from the metal surface can be supplied to the free electrons by any one of the following physical processes:
(i) Thermionic emission: By suitably heating, sufficient thermal energy can be imparted to the free electrons to enable them to come out of the metal.
(ii) Field emission: By applying a very strong electric field (of the order of $10^{8} \mathrm{~V} \mathrm{~m}^{-1}$ ) to a metal, electrons can be pulled out of the metal, as in a spark plug.
(iii) Photoelectric emission: When light of suitable frequency illuminates a metal surface, electrons are emitted from the metal surface. These photo(light)-generated electrons are called photoelectrons.
11.3 РHOTOELECTRIC EFFECT
11.3.1 Hertz’s observations
The phenomenon of photoelectric emission was discovered in 1887 by Heinrich Hertz (1857-1894), during his electromagnetic wave experiments. In his experimental investigation on the production of electromagnetic waves by means of a spark discharge, Hertz observed that high voltage sparks across the detector loop were enhanced when the emitter plate was illuminated by ultraviolet light from an arc lamp.
Light shining on the metal surface somehow facilitated the escape of free, charged particles which we now know as electrons. When light falls on a metal surface, some electrons near the surface absorb enough energy from the incident radiation to overcome the attraction of the positive ions in the material of the surface. After gaining sufficient energy from the incident light, the electrons escape from the surface of the metal into the surrounding space.
11.3.2 Hallwachs’ and Lenard’s observations
Wilhelm Hallwachs and Philipp Lenard investigated the phenomenon of photoelectric emission in detail during 1886-1902.
Lenard (1862-1947) observed that when ultraviolet radiations were allowed to fall on the emitter plate of an evacuated glass tube enclosing two electrodes (metal plates), current flows in the circuit (Fig. 11.1). As soon as the ultraviolet radiations were stopped, the current flow also stopped. These observations indicate that when ultraviolet radiations fall on the emitter plate $\mathrm{C}$, electrons are ejected from it which are attracted towards the positive, collector plate A by the electric field. The electrons flow through the evacuated glass tube, resulting in the current flow. Thus, light falling on the surface of the emitter causes current in the external circuit. Hallwachs and Lenard studied how this photo current varied with collector plate potential, and with frequency and intensity of incident light.
Hallwachs, in 1888, undertook the study further and connected a negatively charged zinc plate to an electroscope. He observed that the zinc plate lost its charge when it was illuminated by ultraviolet light. Further, the uncharged zinc plate became positively charged when it was irradiated by ultraviolet light. Positive charge on a positively charged zinc plate was found to be further enhanced when it was illuminated by ultraviolet light. From these observations he concluded that negatively charged particles were emitted from the zinc plate under the action of ultraviolet light.
After the discovery of the electron in 1897 , it became evident that the incident light causes electrons to be emitted from the emitter plate. Due to negative charge, the emitted electrons are pushed towards the collector plate by the electric field. Hallwachs and Lenard also observed that when ultraviolet light fell on the emitter plate, no electrons were emitted at all when the frequency of the incident light was smaller than a certain minimum value, called the threshold frequency. This minimum frequency depends on the nature of the material of the emitter plate.
It was found that certain metals like zinc, cadmium, magnesium, etc., responded only to ultraviolet light, having short wavelength, to cause electron emission from the surface. However, some alkali metals such as lithium, sodium, potassium, caesium and rubidium were sensitive even to visible light. All these photosensitive substances emit electrons when they are illuminated by light. After the discovery of electrons, these electrons were termed as photoelectrons. The phenomenon is called photoelectric effect.
11.4 EXPERIMENTAL STUDY OF PHOTOELECTRIC
Figure 11.1 depicts a schematic view of the arrangement used for the experimental study of the photoelectric effect. It consists of an evacuated glass/quartz tube having a thin photosensitive plate $\mathrm{C}$ and another metal plate A. Monochromatic light from the source $\mathrm{S}$ of sufficiently short wavelength passes through the window $\mathrm{W}$ and falls on the photosensitive plate $\mathrm{C}$ (emitter). A transparent quartz window is sealed on to the glass tube, which permits ultraviolet radiation to pass through it and irradiate the photosensitive plate $\mathrm{C}$. The electrons are emitted by the plate $\mathrm{C}$ and are collected by the plate A (collector), by the electric field created by the battery. The battery maintains the potential difference between the plates $\mathrm{C}$ and $\mathrm{A}$, that can be varied. The polarity of the plates $\mathrm{C}$ and $\mathrm{A}$ can be reversed by a commutator. Thus, the plate $\mathrm{A}$ can be maintained at a desired positive or negative potential with respect to emitter C. When the collector plate $\mathrm{A}$ is positive with respect to the emitter plate $\mathrm{C}$, the electrons are attracted to it. The emission of electrons causes flow of electric current in the circuit. The potential difference between the emitter and collector plates is measured by a voltmeter (V) whereas the resulting photo current flowing in the circuit is measured by a microammeter $(\mu \mathrm{A})$. The photoelectric current can be increased or decreased by varying the potential of collector plate A with respect to the emitter plate $\mathrm{C}$. The intensity and frequency of the incident light can be varied, as can the potential difference $V$ between the emitter $\mathrm{C}$ and the collector $\mathrm{A}$.
FIGURE 11.1 Experimental arrangement for study of photoelectric effect.
We can use the experimental arrangement of Fig. 11.1 to study the variation of photocurrent with (a) intensity of radiation, (b) frequency of incident radiation, (c) the potential difference between the plates $\mathrm{A}$ and $\mathrm{C}$, and (d) the nature of the material of plate C. Light of different frequencies can be used by putting appropriate coloured filter or coloured glass in the path of light fallingon the emitter $\mathrm{C}$. The intensity of light is varied by changing the distance of the light source from the emitter.
11.4.1 Effect of intensity of light on photocurrent
The collector A is maintained at a positive potential with respect to emitter $\mathrm{C}$ so that electrons ejected from $\mathrm{C}$ are attracted towards collector A. Keeping the frequency of the incident radiation and the potential fixed, the intensity of light is varied and the resulting photoelectric current is measured each time. It is found that the photocurrent increases linearly with intensity of incident light as shown graphically in Fig. 11.2. The photocurrent is directly proportional to the number of photoelectrons emitted per second. This implies that the number of photoelectrons emitted per second is directly proportional to the intensity of incident radiation.
FIGURE 11.2 Variation of Photoelectric current with intensity of light.
11.4.2 Effect of potential on photoelectric current
We first keep the plate A at some positive potential with respect to the plate $\mathrm{C}$ and illuminate the plate $\mathrm{C}$ with light of fixed frequency $v$ and fixed intensity $I_{1}$. We next vary the positive potential of plate A gradually and measure the resulting photocurrent each time. It is found that the photoelectric current increases with increase in positive (accelerating) potential. At some stage, for a certain positive potential of plate A, all the emitted electrons are collected by the plate $\mathrm{A}$ and the photoelectric current becomes maximum or saturates. If we increase the accelerating potential of plate A further, the photocurrent does not increase. This maximum value of the photoelectric current is called saturation current. Saturation current corresponds to the case when all the photoelectrons emitted by the emitter plate $\mathrm{C}$ reach the collector plate $\mathrm{A}$.
FIGURE 11.3 Variation of photocurrent with collector plate potential for different intensity of incident radiation.
We now apply a negative (retarding) potential to the plate $A$ with respect to the plate $\mathrm{C}$ and make it increasingly negative gradually. When the polarity is reversed, the electrons are repelled and only the sufficiently energetic electrons are able to reach the collector $\mathrm{A}$. The photocurrent is found to decrease rapidly until it drops to zero at a certain sharply defined, critical value of the negative potential $V_{0}$ on the plate A. For a particular frequency of incident radiation, the minimum negative (retarding) potential $V_{O}$ given to the plate A for which the photocurrent stops or becomes zero is called the cutoff or stopping potential.
The interpretation of the observation in terms of photoelectrons is straightforward. All the photoelectrons emitted from the metal do not have the same energy. Photoelectric current is zero when the stopping potential is sufficient to repel even the most energetic photoelectrons, with the maximum kinetic energy $\left(K_{\max }\right)$, so that
$$ \begin{equation*} K_{\max }=e V_{0} \tag{11.1} \end{equation*} $$
We can now repeat this experiment with incident radiation of the same frequency but of higher intensity $I_{2}$ and $I_{3}\left(I_{3}>I_{2}>I_{1}\right)$. We note that the saturation currents are now found to be at higher values. This shows that more electrons are being emitted per second, proportional to the intensity of incident radiation. But the stopping potential remains the same as that for the incident radiation of intensity $I_{1}$, as shown graphically in Fig. 11.3. Thus, for a given frequency of the incident radiation, the stopping potential is independent of its intensity. In other words, the maximum kinetic energy of photoelectrons depends on the light source and the emitter plate material, but is independent of intensity of incident radiation.
11.4.3 Effect of frequency of incident radiation on stopping potential
We now study the relation between the frequency $v$ of the incident radiation and the stopping potential $V_{0}$. We suitably adjust the same intensity of light radiation at various frequencies and study the variation of photocurrent with collector plate potential. The resulting variation is shown in Fig. 11.4.
FIGURE 11.4 Variation of photoelectric current with collector plate potential for different frequencies of incident radiation.
We obtain different values of stopping potential but the same value of the saturation current for incident radiation of different frequencies. The energy of the emitted electrons depends on the frequency of the incident radiations. The stopping potential is more negative for higher frequencies of incident radiation. Note from Fig. 11.4 that the stopping potentials are in the order $V_{03}>V_{02}>V_{01}$ if the frequencies are in the order $v_{3}>v_{2}>v_{1}$. This implies that greater the frequency of incident light, greater is the maximum kinetic energy of the photoelectrons. Consequently, we need greater retarding potential to stop them completely. If we plot a graph between the frequency of incident radiation and the corresponding stopping potential for different metals we get a straight line, as shown in Fig. 11.5.
FIGURE 11.5 Variation of stopping potential $V_{0}$ with frequency $v$ of incident radiation for a given photosensitive material.
The graph shows that
(i) the stopping potential $V_{0}$ varies linearly with the frequency of incident radiation for a given photosensitive material.
(ii) there exists a certain minimum cut-off frequency $v_{0}$ for which the stopping potential is zero.
These observations have two implications:
(i) The maximum kinetic energy of the photoelectrons varies linearly with the frequency of incident radiation, but is independent of its intensity.
(ii) For a frequency $v$ of incident radiation, lower than the cut-off frequency $v_{0}$, no photoelectric emission is possible even if the intensity is large.
This minimum, cut-off frequency $v_{0}$, is called the threshold frequency. It is different for different metals.
Different photosensitive materials respond differently to light. Selenium is more sensitive than zinc or copper. The same photosensitive substance gives different response to light of different wavelengths. For example, ultraviolet light gives rise to photoelectric effect in copper while green or red light does not.
Note that in all the above experiments, it is found that, if frequency of the incident radiation exceeds the threshold frequency, the photoelectric emission starts instantaneously without any apparent time lag, even if the incident radiation is very dim. It is now known that emission starts in a time of the order of $10^{-9} \mathrm{~s}$ or less.
We now summarise the experimental features and observations described in this section.
(i) For a given photosensitive material and frequency of incident radiation (above the threshold frequency), the photoelectric current is directly proportional to the intensity of incident light (Fig. 11.2).
(ii) For a given photosensitive material and frequency of incident radiation, saturation current is found to be proportional to the intensity of incident radiation whereas the stopping potential is independent of its intensity (Fig. 11.3).
(iii) For a given photosensitive material, there exists a certain minimum cut-off frequency of the incident radiation, called the threshold frequency, below which no emission of photoelectrons takes place, no matter how intense the incident light is. Above the threshold frequency, the stopping potential or equivalently the maximum kinetic energy of the emitted photoelectrons increases linearly with the frequency of the incident radiation, but is independent of its intensity (Fig. 11.5).
(iv) The photoelectric emission is an instantaneous process without any apparent time lag $\left (\sim 10^{-9} \mathrm{~s} \text{ or less } \right)$ , even when the incident radiation is made exceedingly dim.
11.5 PHOTOELECTRIC EFFECT AND WAVE THEORY OF LIGHT
The wave nature of light was well established by the end of the nineteenth century. The phenomena of interference, diffraction and polarisation were explained in a natural and satisfactory way by the wave picture of light. According to this picture, light is an electromagnetic wave consisting of electric and magnetic fields with continuous distribution of energy over the region of space over which the wave is extended. Let us now see if this wave picture of light can explain the observations on photoelectric emission given in the previous section.
According to the wave picture of light, the free electrons at the surface of the metal (over which the beam of radiation falls) absorb the radiant energy continuously. The greater the intensity of radiation, the greater are the amplitude of electric and magnetic fields. Consequently, the greater the intensity, the greater should be the energy absorbed by each electron. In this picture, the maximum kinetic energy of the photoelectrons on the surface is then expected to increase with increase in intensity. Also, no matter what the frequency of radiation is, a sufficiently intense beam of radiation (over sufficient time) should be able to impart enough energy to the electrons, so that they exceed the minimum energy needed to escape from the metal surface . A threshold frequency, therefore, should not exist. These expectations of the wave theory directly contradict observations (i), (ii) and (iii) given at the end of sub-section 11.4.3.
Further, we should note that in the wave picture, the absorption of energy by electron takes place continuously over the entire wavefront of the radiation. Since a large number of electrons absorb energy, the energy absorbed per electron per unit time turns out to be small. Explicit calculations estimate that it can take hours or more for a single electron to pick up sufficient energy to overcome the work function and come out of the metal. This conclusion is again in striking contrast to observation (iv) that the photoelectric emission is instantaneous. In short, the wave picture is unable to explain the most basic features of photoelectric emission.
11.6 EINSTEIN’S PHOTOELECTRIC EGUATION: ENERGY GUANTUM OF RADIATION
In 1905, Albert Einstein (1879-1955) proposed a radically new picture of electromagnetic radiation to explain photoelectric effect. In this picture, photoelectric emission does not take place by continuous absorption of energy from radiation. Radiation energy is built up of discrete units - the so called quanta of energy of radiation. Each quantum of radiant energy has energy $h v$, where $h$ is Planck’s constant and $v$ the frequency of light. In photoelectric effect, an electron absorbs a quantum of energy $(h v)$ of radiation. If this quantum of energy absorbed exceeds the minimum energy needed for the electron to escape from the metal surface (work function $\phi_{0}$ ), the electron is emitted with maximum kinetic energy
$$ \begin{equation*} K_{\max }=h v-\phi_{0} \tag{11.2} \end{equation*} $$
More tightly bound electrons will emerge with kinetic energies less than the maximum value. Note that the intensity of light of a given frequency is determined by the number of photons incident per second. Increasing the intensity will increase the number of emitted electrons per second. However, the maximum kinetic energy of the emitted photoelectrons is determined by the energy of each photon.
Equation (11.2) is known as Einstein’s photoelectric equation. We now see how this equation accounts in a simple and elegant manner all the observations on photoelectric effect given at the end of sub-section 11.4.3.
- According to Eq. (11.2), $K_{\max }$ depends linearly on $v$, and is independent of intensity of radiation, in agreement with observation. This has happened because in Einstein’s picture, photoelectric effect arises from the absorption of a single quantum of radiation by a single electron. The intensity of radiation (that is proportional to the number of energy quanta per unit area per unit time) is irrelevant to this basic process.
Albert Einstein (1879 – 1955)
Einstein, one of the greatest physicists of all time, was born in Ulm, Germany. In 1905, he published three pathbreaking papers. In the first paper, he introduced the notion of light quanta (now called photons) and used it to explain the features of photoelectric effect. In the second paper, he developed a theory of Brownian motion, confirmed experimentally a few years later and provided a convincing evidence of the atomic picture of matter. The third paper gave birth to the special theory of relativity. In 1916, he published the general theory of relativity. Some of Einstein’s most significant later contributions are: the notion of stimulated emission introduced in an alternative derivation of Planck’s blackbody radiation law, static model of the universe which started modern cosmology, quantum statistics of a gas of massive bosons, and a critical analysis of the foundations of quantum mechanics. In 1921, he was awarded the Nobel Prize in physics for his contribution to theoretical physics and the photoelectric effect.
-
$\quad$ Since $K_{\max }$ must be non-negative, Eq. (11.2) implies that photoelectric emission is possible only if
$\quad\quad$ $h v>\phi_{0}$
$\quad\quad$ or $v>v_{0}$, where
$\quad\quad$ $v_{0}=\frac{\varphi_{0}}{h}$ {11.3}
Equation (11.3) shows that the greater the work function $\phi_{0}$, the higher the minimum or threshold frequency $v_{0}$ needed to emit photoelectrons. Thus, there exists a threshold frequency $v_{0}\left(=\phi_{0} / h\right)$ for the metal surface, below which no photoelectric emission is possible, no matter how intense the incident radiation may be or how long it falls on the surface.
-
In this picture, intensity of radiation as noted above, is proportional to the number of energy quanta per unit area per unit time. The greater the number of energy quanta available, the greater is the number of electrons absorbing the energy quanta and greater, therefore, is the number of electrons coming out of the metal (for $v>v_{0}$ ). This explains why, for $v>v_{0}$, photoelectric current is proportional to intensity.
-
In Einstein’s picture, the basic elementary process involved in photoelectric effect is the absorption of a light quantum by an electron. This process is instantaneous. Thus, whatever may be the intensity i.e., the number of quanta of radiation per unit area per unit time, photoelectric emission is instantaneous. Low intensity does not mean delay in emission, since the basic elementary process is the same. Intensity only determines how many electrons are able to participate in the elementary process (absorption of a light quantum by a single electron) and, therefore, the photoelectric current.
Using Eq. (11.1), the photoelectric equation, Eq. (11.2), can be written as
$$ \begin{align*} & e V _{0}=h v-\phi _{0} ; \text { for } v \geq v _{0} \\ & \text { or } V _{0}=\left(\frac{h}{e}\right) v-\frac{\phi _{0}}{e} \tag{11.4} \end{align*} $$
This is an important result. It predicts that the $V_{0}$ versus $v$ curve is a straight line with slope $=(h / e)$, independent of the nature of the material. During 1906-1916, Millikan performed a series of experiments on photoelectric effect, aimed at disproving Einstein’s photoelectric equation. He measured the slope of the straight line obtained for sodium, similar to that shown in Fig. 11.5. Using the known value of $e$, he determined the value of Planck’s constant $h$. This value was close to the value of Planck’s contant $\left(=6.626 \times 10^{-}\right.$ ${ }^{34} \mathrm{~J} \mathrm{~s})$ determined in an entirely different context. In this way, in 1916, Millikan proved the validity of Einstein’s photoelectric equation, instead of disproving it.
The successful explanation of photoelectric effect using the hypothesis of light quanta and the experimental determination of values of $h$ and $\phi_{0}$, in agreement with values obtained from other experiments, led to the acceptance of Einstein’s picture of photoelectric effect. Millikan verified photoelectric equation with great precision, for a number of alkali metals over a wide range of radiation frequencies.
11.7 PARTICLE NATURE OF LIGHT: THE PHOTON
Photoelectric effect thus gave evidence to the strange fact that light in interaction with matter behaved as if it was made of quanta or packets of energy, each of energy $h v$.
Is the light quantum of energy to be associated with a particle? Einstein arrived at the important result, that the light quantum can also be associated with momentum ( $h v / c$). A definite value of energy as well as momentum is a strong sign that the light quantum can be associated with a particle. This particle was later named photon. The particle-like behaviour of light was further confirmed, in 1924, by the experiment of A.H. Compton (1892-1962) on scattering of X-rays from electrons. In 1921, Einstein was awarded the Nobel Prize in Physics for his contribution to theoretical physics and the photoelectric effect. In 1923, Millikan was awarded the Nobel Prize in physics for his work on the elementary charge of electricity and on the photoelectric effect.
We can summarise the photon picture of electromagnetic radiation as follows:
(i) In interaction of radiation with matter, radiation behaves as if it is made up of particles called photons.
(ii) Each photon has energy $E(=h v)$ and momentum $p(=h v / c)$, and speed $c$, the speed of light.
(iii) All photons of light of a particular frequency $v$, or wavelength $\lambda$, have the same energy $E(=h v=h c / \lambda)$ and momentum $p(=h v / c=h / \lambda)$, whatever the intensity of radiation may be. By increasing the intensity of light of given wavelength, there is only an increase in the number of photons per second crossing a given area, with each photon having the same energy. Thus, photon energy is independent of intensity of radiation
(iv) Photons are electrically neutral and are not deflected by electric and magnetic fields.
(v) In a photon-particle collision (such as photon-electron collision), the total energy and total momentum are conserved. However, the number of photons may not be conserved in a collision. The photon may be absorbed or a new photon may be created.
Example 11.1 Monochromatic light of frequency $6.0 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ is produced by a laser. The power emitted is $2.0 \times 10^{-3} \mathrm{~W}$. (a) What is the energy of a photon in the light beam? (b) How many photons per second, on an average, are emitted by the source?
Solution
(a) Each photon has an energy
$$ \begin{aligned} E & =h v=\left(6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}\right)\left(6.0 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}\right) \\ & =3.98 \times 10^{-19} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
(b) If $N$ is the number of photons emitted by the source per second, the power $P$ transmitted in the beam equals $N$ times the energy per photon $E$, so that $P=N E$. Then
$$ \begin{aligned} N & =\frac{P}{E}=\frac{2.0 \times 10^{-3} \mathrm{~W}}{3.98 \times 10^{-19} \mathrm{~J}} \\ & =5.0 \times 10^{15} \text { photons per second. } \end{aligned} $$
Example 11.2 The work function of caesium is $2.14 \mathrm{eV}$. Find (a) the threshold frequency for caesium, and (b) the wavelength of the incident light if the photocurrent is brought to zero by a stopping potential of $0.60 \mathrm{~V}$.
Solution
(a) For the cut-off or threshold frequency, the energy $h v_{0}$ of the incident radiation must be equal to work function $\phi_{0}$, so that
$$ \begin{aligned} v_{0} & =\frac{\varphi_{0}}{h}=\frac{2.14 \mathrm{eV}}{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}} \\ & =\frac{2.14 \times 1.6 \times 10^{-19} \mathrm{~J}}{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}=5.16 \times 10^{14} \mathrm{~Hz} \end{aligned} $$
Thus, for frequencies less than this threshold frequency, no photoelectrons are ejected.
(b) Photocurrent reduces to zero, when maximum kinetic energy of the emitted photoelectrons equals the potential energy $e V_{0}$ by the retarding potential $V_{0}$. Einstein’s Photoelectric equation is
$$ \begin{aligned} e V_{0} & =h v-\phi_{0}=\frac{h c}{\lambda}-\phi_{0} \\ \text { or, } \lambda & =h c /\left(e V_{0}+\phi_{0}\right) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & =\frac{\left(6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}\right) \times\left(3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\right)}{(0.60 \mathrm{eV}+2.14 \mathrm{eV})} \\ & =\frac{19.89 \times 10^{-26} \mathrm{~J} \mathrm{~m}}{(2.74 \mathrm{eV})} \\ \lambda & =\frac{19.89 \times 10^{-26} \mathrm{~J} \mathrm{~m}}{2.74 \times 1.6 \times 10^{-19} \mathrm{~J}}=454 \mathrm{~nm} \end{aligned} $$
11.8 WAVE NATURE OF MATTER
The dual (wave-particle) nature of light (electromagnetic radiation, in general) comes out clearly from what we have learnt in this and the preceding chapters. The wave nature of light shows up in the phenomena of interference, diffraction and polarisation. On the other hand, in photoelectric effect and Compton effect which involve energy and momentum transfer, radiation behaves as if it is made up of a bunch of particles - the photons. Whether a particle or wave description is best suited for understanding an experiment depends on the nature of the experiment. For example, in the familiar phenomenon of seeing an object by our eye, both descriptions are important. The gathering and focussing mechanism of light by the eye-lens is well described in the wave picture. But its absorption by the rods and cones (of the retina) requires the photon picture of light.
A natural question arises: If radiation has a dual (waveparticle) nature, might not the particles of nature (the electrons, protons, etc.) also exhibit wave-like character? In 1924, the French physicist Louis Victor de Broglie (pronounced as de Broy) (1892-1987) put forward the bold hypothesis that moving particles of matter should display wave-like properties under suitable conditions. He reasoned that nature was symmetrical and that the two basic physical entities - matter and energy, must have symmetrical character. If radiation shows dual aspects, so should matter. De Broglie proposed that the wave length $\lambda$ associated with a particle of momentum $p$ is given as
$$ \begin{equation*} \lambda=\frac{h}{p}=\frac{h}{m v} \tag{11.5} \end{equation*} $$
where $m$ is the mass of the particle and $v$ its speed.
Louis Victor de Broglie (1892 – 1987) French physicist who put forth revolutionary idea of wave nature of matter. This idea was developed by Erwin Schródinger into a full-fledged theory of quantum mechanics commonly known as wave mechanics. In 1929, he was awarded the Nobel Prize in Physics for his discovery of the wave nature of electrons.
Equation (11.5) is known as the de Broglie relation and the wavelength $\lambda$ of the matter wave is called de Broglie wavelength. The dual aspect of matter is evident in the de Broglie relation. On the left hand side of Eq. (11.5), $\lambda$ is the attribute of a wave while on the right hand side the momentum $p$ is a typical attribute of a particle. Planck’s constant $h$ relates the two attributes. Equation (11.5) for a material particle is basically a hypothesis whose validity can be tested only by experiment. However, it is interesting to see that it is satisfied also by a photon. For a photon, as we have seen,
$$ \begin{equation*} p=h v / c \tag{11.6} \end{equation*} $$
Therefore,
$$ \begin{equation*} \frac{h}{p}=\frac{c}{v}=\lambda \tag{11.7} \end{equation*} $$
That is, the de Broglie wavelength of a photon given by Eq. (11.5) equals the wavelength of electromagnetic radiation of which the photon is a quantum of energy and momentum.
Clearly, from Eq. (11.5), $\lambda$ is smaller for a heavier particle (large $m$ ) or more energetic particle (large $v$ ). For example, the de Broglie wavelength of a ball of mass $0.12 \mathrm{~kg}$ moving with a speed of $20 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ is easily calculated:
$$ \begin{aligned} & p=m v=0.12 \mathrm{~kg} \times 20 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}=2.40 \mathrm{~kg} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \\ & \lambda=\frac{h}{p}=\frac{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}{2.40 \mathrm{~kg} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}}=2.76 \times 10^{-34} \mathrm{~m} \end{aligned} $$
This wavelength is so small that it is beyond any measurement. This is the reason why macroscopic objects in our daily life do not show wavelike properties. On the other hand, in the sub-atomic domain, the wave character of particles is significant and measurable.
Example 11.3 What is the de Broglie wavelength associated with (a) an electron moving with a speed of $5.4 \times 10^{6} \mathrm{~m} / \mathrm{s}$, and (b) a ball of mass $150 \mathrm{~g}$ travelling at $30.0 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ ?
Solution
(a) For the electron:
$$ \begin{aligned} & \text { Mass } m=9.11 \times 10^{-31} \mathrm{~kg}, \text { speed } v=5.4 \times 10^6 \mathrm{~m} / \mathrm{s} \\ & \text { Then, momentum } p=m v=9.11 \times 10^{-31}(\mathrm{~kg}) \times 5.4 \times 10^6(\mathrm{~m} / \mathrm{s}) \\ & p=4.92 \times 10^{-24} \mathrm{~kg} \mathrm{~m} / \mathrm{s} \end{aligned} $$
de Broglie wavelength, $\lambda=h / p$
$$ \begin{aligned} & =\frac{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}{4.92 \times 10^{-24} \mathrm{~kg} \mathrm{~m} / \mathrm{s}} \\ \lambda & =0.135 \mathrm{~nm} \end{aligned} $$
(b) For the ball:
Mass $m^{\prime}=0.150 \mathrm{~kg}$, speed $v^{\prime}=30.0 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$.
Then momentum
$$ \begin{aligned} & p^{\prime}=m^{\prime} v^{\prime}=0.150(\mathrm{~kg}) \times 30.0(\mathrm{~m} / \mathrm{s}) \\ & p^{\prime}=4.50 \mathrm{~kg} \mathrm{~m} / \mathrm{s} \end{aligned} $$
de Broglie wavelength $\lambda^{\prime}=h / p^{\prime}$.
$$ =\frac{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}{4.50 \times \mathrm{kg} \mathrm{m} / \mathrm{s}} $$
$$ \lambda^{\prime}=1.47 \times 10^{-34} \mathrm{~m} $$
The de Broglie wavelength of electron is comparable with X-ray wavelengths. However, for the ball it is about $10^{-19}$ times the size of the proton, quite beyond experimental measurement.
SUMMARY
1. The minimum energy needed by an electron to come out from a metal surface is called the work function of the metal. Energy greater than the work function $\left(\phi_{\mathrm{o}}\right)$ required for electron emission from the metal surface can be supplied by suitably heating or applying strong electric field or irradiating it by light of suitable frequency.
2. Photoelectric effect is the phenomenon of emission of electrons by metals when illuminated by light of suitable frequency. Certain metals respond to ultraviolet light while others are sensitive even to the visible light. Photoelectric effect involves conversion of light energy into electrical energy. It follows the law of conservation of energy. The photoelectric emission is an instantaneous process and possesses certain special features.
3. Photoelectric current depends on (i) the intensity of incident light, (ii) the potential difference applied between the two electrodes, and (iii) the nature of the emitter material.
4. The stopping potential $\left(V_{\mathrm{o}}\right)$ depends on (i) the frequency of incident light, and (ii) the nature of the emitter material. For a given frequency of incident light, it is independent of its intensity. The stopping potential is directly related to the maximum kinetic energy of electrons emitted:
$e V_{0}=(1 / 2) m v_{\max }^{2}=K_{\text {max }}$
5. Below a certain frequency (threshold frequency) $v_{0}$, characteristic of the metal, no photoelectric emission takes place, no matter how large the intensity may be.
6. The classical wave theory could not explain the main features of photoelectric effect. Its picture of continuous absorption of energy from radiation could not explain the independence of $K_{\max }$ on intensity, the existence of $v_{\mathrm{o}}$ and the instantaneous nature of the process. Einstein explained these features on the basis of photon picture of light. According to this, light is composed of discrete packets of energy called quanta or photons. Each photon carries an energy $E(=h v)$ and momentum $p(=h / \lambda)$, which depend on the frequency $(v)$ of incident light and not on its intensity. Photoelectric emission from the metal surface occurs due to absorption of a photon by an electron.
7. Einstein’s photoelectric equation is in accordance with the energy conservation law as applied to the photon absorption by an electron in the metal. The maximum kinetic energy $(1 / 2) m v_{\max }^{2}$ is equal to the photon energy $(h v)$ minus the work function $\phi_{0}\left(=h v_{0}\right)$ of the target metal:
$$ \frac{1}{2} m v_{\max }^{2}=V_{0} e=h v-\phi_{0}=h\left(v-v_{0}\right) $$
This photoelectric equation explains all the features of the photoelectric effect. Millikan’s first precise measurements confirmed the Einstein’s photoelectric equation and obtained an accurate value of Planck’s constant $h$. This led to the acceptance of particle or photon description (nature) of electromagnetic radiation, introduced by Einstein.
8. Radiation has dual nature: wave and particle. The nature of experiment determines whether a wave or particle description is best suited for understanding the experimental result. Reasoning that radiation and matter should be symmetrical in nature, Louis Victor de Broglie attributed a wave-like character to matter (material particles). The waves associated with the moving material particles are called matter waves or de Broglie waves.
9. The de Broglie wavelength $(\lambda)$ associated with a moving particle is related to its momentum $p$ as: $\lambda=h / p$. The dualism of matter is inherent in the de Broglie relation which contains a wave concept $(\lambda)$ and a particle concept $(p)$. The de Broglie wavelength is independent of the charge and nature of the material particle. It is significantly measurable (of the order of the atomic-planes spacing in crystals) only in case of sub-atomic particles like electrons, protons, etc. (due to smallness of their masses and hence, momenta). However, it is indeed very small, quite beyond measurement, in case of macroscopic objects, commonly encountered in everyday life.
Physical Ouantity |
Symbol | Dimensions | Unit | Remarks |
---|---|---|---|---|
Planck’s constant |
$h$ | $\left[\mathrm{ML}^2 \mathrm{~T}^{-1}\right]$ | $\mathrm{J} \mathrm{s}$ | $E=h v$ |
Stopping potential |
$V_0$ | $\left[\mathrm{ML}^2 \mathrm{~T}^{-3} \mathrm{~A}^{-1}\right]$ | $\mathrm{V}$ | $e V_0=K_{\max }$ |
Work function |
$\phi_0$ | $\left[\mathrm{ML}^2 \mathrm{~T}^{-2}\right]$ | $\mathrm{J} ; \mathrm{eV}$ | $K_{\max }=E-\phi_0$ |
Threshold frequency |
$v_0$ | $\left[\mathrm{~T}^{-1}\right]$ | $\mathrm{Hz}$ | $v_0=\phi_0 / h$ |
de Broglie wavelength |
$\lambda$ | $[\mathrm{L}]$ | $\mathrm{m}$ | $\lambda$ |
POINTS TO PONDER
1. Free electrons in a metal are free in the sense that they move inside the metal in a constant potential (This is only an approximation). They are not free to move out of the metal. They need additional energy to get out of the metal.
2. Free electrons in a metal do not all have the same energy. Like molecules in a gas jar, the electrons have a certain energy distribution at a given temperature. This distribution is different from the usual Maxwell’s distribution that you have learnt in the study of kinetic theory of gases. You will learn about it in later courses, but the difference has to do with the fact that electrons obey Pauli’s exclusion principle.
3. Because of the energy distribution of free electrons in a metal, the energy required by an electron to come out of the metal is different for different electrons. Electrons with higher energy require less additional energy to come out of the metal than those with lower energies. Work function is the least energy required by an electron to come out of the metal.
4. Observations on photoelectric effect imply that in the event of matterlight interaction, absorption of energy takes place in discrete units of $h v$. This is not quite the same as saying that light consists of particles, each of energy $h v$.
5. Observations on the stopping potential (its independence of intensity and dependence on frequency) are the crucial discriminator between the wave-picture and photon-picture of photoelectric effect.
6. The wavelength of a matter wave given by $\lambda=\frac{h}{p}$ has physical significance; its phase velocity $v_{p}$ has no physical significance. However, the group velocity of the matter wave is physically meaningful and equals the velocity of the particle.
Exercises
11.1 Find the
(a) maximum frequency, and
(b) minimum wavelength of X-rays produced by $30 \mathrm{kV}$ electrons.
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Answer
Potential of the electrons, $V=30 \mathrm{kV}=3 \times 10^{4} \mathrm{~V}$
Hence, energy of the electrons, $E=3 \times 10^{4} \mathrm{eV}$
Where,
$e=$ Charge on an electron $=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
(a)Maximum frequency produced by the $\mathrm{X}$-rays $=v$
The energy of the electrons is given by the relation:
$E=h v$
Where,
$h=$ Planck’s constant $=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
$\therefore v=\frac{E}{h}$
$$ =\frac{1.6 \times 10^{-19} \times 3 \times 10^{4}}{6.626 \times 10^{-34}}=7.24 \times 10^{18} \mathrm{~Hz} $$
Hence, the maximum frequency of X-rays produced is $7.24 \times 10^{18} \mathrm{~Hz}$.
(b)The minimum wavelength produced by the X-rays is given as:
$$ \begin{aligned} & \lambda=\frac{c}{v} \\ & =\frac{3 \times 10^{8}}{7.24 \times 10^{18}}=4.14 \times 10^{-11} \mathrm{~m}=0.0414 \mathrm{~nm} \end{aligned} $$
Hence, the minimum wavelength of X-rays produced is $0.0414 \mathrm{~nm}$.
11.2 The work function of caesium metal is $2.14 \mathrm{eV}$. When light of frequency $6 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ is incident on the metal surface, photoemission of electrons occurs. What is the
(a) maximum kinetic energy of the emitted electrons,
(b) Stopping potential, and
(c) maximum speed of the emitted photoelectrons?
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Answer
Work function of caesium metal, $\phi_{0}=2.14 \mathrm{eV}$
Frequency of light, $v=6.0 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$
(a)The maximum kinetic energy is given by the photoelectric effect as:
$$ K=h v-\phi_{0} $$
Where,
$$ \begin{aligned} & h=\text { Planck’s constant }=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{Js} \\ & \therefore K=\frac{6.626 \times 10^{34} \times 6 \times 10^{14}}{1.6 \times 10^{-19}}-2.14 \\ & \quad=2.485-2.140=0.345 \mathrm{eV} \end{aligned} $$
Hence, the maximum kinetic energy of the emitted electrons is $0.345 \mathrm{eV}$.
(b)For stopping potential $V_{0}$, we can write the equation for kinetic energy as:
$$ \begin{aligned} & K=e V_{0} \\ & \therefore V_{0}=\frac{K}{e} \\ & \quad=\frac{0.345 \times 1.6 \times 10^{-19}}{1.6 \times 10^{-19}}=0.345 \mathrm{~V} \end{aligned} $$
Hence, the stopping potential of the material is $0.345 \mathrm{~V}$.
(c)Maximum speed of the emitted photoelectrons $=v$
Hence, the relation for kinetic energy can be written as:
$$ K=\frac{1}{2} m v^{2} $$
Where,
$$ \begin{aligned} m & =\text { Mass of an electron }=9.1 \times 10^{-31} \mathrm{~kg} \\ v^{2} & =\frac{2 K}{m} \\ & =\frac{2 \times 0.345 \times 1.6 \times 10^{-19}}{9.1 \times 10^{-31}}=0.1104 \times 10^{12} \\ \therefore v & =3.323 \times 10^{5} \mathrm{~m} / \mathrm{s}=332.3 \mathrm{~km} / \mathrm{s} \end{aligned} $$
Hence, the maximum speed of the emitted photoelectrons is $332.3 \mathrm{~km} / \mathrm{s}$.
11.3 The photoelectric cut-off voltage in a certain experiment is $1.5 \mathrm{~V}$. What is the maximum kinetic energy of photoelectrons emitted?
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Answer
Photoelectric cut-off voltage, $V_{0}=1.5 \mathrm{~V}$
The maximum kinetic energy of the emitted photoelectrons is given as:
$$ K_{e}=e V_{0} $$
Where,
$e=$ Charge on an electron $=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
$$ \begin{aligned} \therefore K_{e} & =1.6 \times 10^{-19} \times 1.5 \\ & =2.4 \times 10^{-19} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
Therefore, the maximum kinetic energy of the photoelectrons emitted in the given experiment is $2.4 \times 10^{-19} \mathrm{~J}$.
11.4 Monochromatic light of wavelength $632.8 \mathrm{~nm}$ is produced by a helium-neon laser. The power emitted is $9.42 \mathrm{~mW}$.
(a) Find the energy and momentum of each photon in the light beam,
(b) How many photons per second, on the average, arrive at a target irradiated by this beam? (Assume the beam to have uniform cross-section which is less than the target area), and
(c) How fast does a hydrogen atom have to travel in order to have the same momentum as that of the photon?
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Answer
Wavelength of the monochromatic light, $\lambda=632.8 \mathrm{~nm}=632.8 \times 10^{-9} \mathrm{~m}$
Power emitted by the laser, $P=9.42 \mathrm{~mW}=9.42 \times 10^{-3} \mathrm{~W}$
Planck’s constant, $h=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
Speed of light, $c=3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
Mass of a hydrogen atom, $m=1.66 \times 10^{-27} \mathrm{~kg}$
(a)The energy of each photon is given as:
$$ \begin{aligned} E & =\frac{h c}{\lambda} \\ & =\frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}}{632.8 \times 10^{-9}}=3.141 \times 10^{-19} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
The momentum of each photon is given as:
$$ \begin{aligned} P & =\frac{h}{\lambda} \\ & =\frac{6.626 \times 10^{-34}}{632.8}=1.047 \times 10^{-27} \mathrm{~kg} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \end{aligned} $$
(b)Number of photons arriving per second, at a target irradiated by the beam $=n$
Assume that the beam has a uniform cross-section that is less than the target area.
Hence, the equation for power can be written as:
$$ \begin{aligned} P & =n E \\ \therefore n & =\frac{P}{E} \\ & =\frac{9.42 \times 10^{-3}}{3.141 \times 10^{-19}} \approx 3 \times 10^{16} \text { photon } / \mathrm{s} \end{aligned} $$
(c)Momentum of the hydrogen atom is the same as the momentum of the photon, $p=1.047 \times 10^{-27} \mathrm{~kg} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$
Momentum is given as:
$p=m v$
Where,
$v=$ Speed of the hydrogen atom
$$ \begin{aligned} \therefore v & =\frac{p}{m} \\ & =\frac{1.047 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}}=0.621 \mathrm{~m} / \mathrm{s} \end{aligned} $$
11.5 In an experiment on photoelectric effect, the slope of the cut-off voltage versus frequency of incident light is found to be $4.12 \times 10^{-15} \mathrm{~V} \mathrm{~s}$. Calculate the value of Planck’s constant.
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Answer
The slope of the cut-off voltage $(V)$ versus frequency $(v)$ of an incident light is given as:
$\frac{V}{v}=4.12 \times 10^{-15} \mathrm{Vs}$
$V$ is related to frequency by the equation:
$h v=e V$
Where,
$e=$ Charge on an electron $=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
$h=$ Planck’s constant
$\therefore h=e \times \frac{V}{v}$
$=1.6 \times 10^{-19} \times 4.12 \times 10^{-15}=6.592 \times 10^{-34} \mathrm{JS}$
Therefore, the value of Planck’s constant is $6.592 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$.
11.6 The threshold frequency for a certain metal is $3.3 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$. If light of frequency $8.2 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ is incident on the metal, predict the cutoff voltage for the photoelectric emission.
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Answer
Threshold frequency of the metal, $v_{0}=3.3 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$
Frequency of light incident on the metal, $v=8.2 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$
Charge on an electron, $e=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
Planck’s constant, $h=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
Cut-off voltage for the photoelectric emission from the metal $=V_{0}$
The equation for the cut-off energy is given as:
$$ \begin{aligned} e V_{0} & =h\left(v-v_{0}\right) \\ V_{0} & =\frac{h\left(v-v_{0}\right)}{e} \\ & =\frac{6.626 \times 10^{-34} \times\left(8.2 \times 10^{14}-3.3 \times 10^{14}\right)}{1.6 \times 10^{-19}}=2.0292 \mathrm{~V} \end{aligned} $$
Therefore, the cut-off voltage for the photoelectric emission is $2.0292 \mathrm{~V}$.
11.7 The work function for a certain metal is $4.2 \mathrm{eV}$. Will this metal give hotoelectric emission for incident radiation of wavelength $330 \mathrm{~nm}$ ?
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Answer
Work function of the metal, $\phi_{0}=4.2 \mathrm{eV}$
Charge on an electron, $e=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
Planck’s constant, $h=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
Wavelength of the incident radiation, $\lambda=330 \mathrm{~nm}=330 \times 10^{-9} \mathrm{~m}$
Speed of light, $c=3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
The energy of the incident photon is given as:
$$ \begin{aligned} E & =\frac{h c}{\lambda} \\ & =\frac{6.626 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}}{330 \times 10^{-9}}=6.0 \times 10^{-19} \mathrm{~J} \\ & =\frac{6.0 \times 10^{-19}}{1.6 \times 10^{-19}}=3.76 \mathrm{eV} \end{aligned} $$
It can be observed that the energy of the incident radiation is less than the work function of the metal. Hence, no photoelectric emission will take place.
11.8 Light of frequency $7.21 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ is incident on a metal surface. Electrons with a maximum speed of $6.0 \times 10^{5} \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ are ejected from the surface. What is the threshold frequency for photoemission of electrons?
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Answer
Frequency of the incident photon, $v=488 \mathrm{~nm}=488 \times 10^{-9} \mathrm{~m}$
Maximum speed of the electrons, $v=6.0 \times 10^{5} \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
Planck’s constant, $h=6.626 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
Mass of an electron, $m=9.1 \times 10^{-31} \mathrm{~kg}$
For threshold frequency $v_{0}$, the relation for kinetic energy is written as:
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{2} m v^{2}=h\left(v-v_{0}\right) \\ & v_{0}=v-\frac{m v^{2}}{2 h} \\ & \quad=7.21 \times 10^{14}-\frac{\left(9.1 \times 10^{-31}\right) \times\left(6 \times 10^{5}\right)^{2}}{2 \times\left(6.626 \times 10^{-34}\right)} \\ & \quad=7.21 \times 10^{14}-2.472 \times 10^{14} \\ & \quad=4.738 \times 10^{14} \mathrm{~Hz} \end{aligned} $$
Therefore, the threshold frequency for the photoemission of electrons is $4.738 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$.
11.9 Light of wavelength $488 \mathrm{~nm}$ is produced by an argon laser which is used in the photoelectric effect. When light from this spectral line is incident on the emitter, the stopping (cut-off) potential of photoelectrons is $0.38 \mathrm{~V}$. Find the work function of the material from which the emitter is made.
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Answer
Wavelength of light produced by the argon laser, $\lambda=488 \mathrm{~nm}$ $=488 \times 10^{-9} \mathrm{~m}$
Stopping potential of the photoelectrons, $V_{0}=0.38 \mathrm{~V}$
$$ \begin{aligned} & 1 \mathrm{eV}=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{~J} \\ & \therefore V_{0}=\frac{0.38}{1.6 \times 10^{-19}} \mathrm{eV} \end{aligned} $$
Planck’s constant, $h=6.6 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
Charge on an electron, $e=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
Speed of light, $c=3 \times 10 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
From Einstein’s photoelectric effect, we have the relation involving the work function $\Phi_{0}$ of the material of the emitter as:
$$ \begin{aligned} & e V_{0}=\frac{h c}{\lambda}-\phi_{0} \\ & \phi_{0}=\frac{h c}{\lambda}-e V_{0} \\ & \quad=\frac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}}{1.6 \times 10^{-19} \times 488 \times 10^{-9}}-\frac{1.6 \times 10^{-19} \times 0.38}{1.6 \times 10^{-19}} \\ & \quad=2.54-0.38=2.16 \mathrm{eV} \end{aligned} $$
Therefore, the material with which the emitter is made has the work function of $2.16 \mathrm{eV}$.
11.10 What is the de Broglie wavelength of (a) a bullet of mass $0.040 \mathrm{~kg}$ travelling at the speed of $1.0 \mathrm{~km} / \mathrm{s}$, (b) a ball of mass $0.060 \mathrm{~kg}$ moving at a speed of $1.0 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$, and (c) a dust particle of mass $1.0 \times 10^{-9} \mathrm{~kg}$ drifting with a speed of 2.2 $\mathrm{m} / \mathrm{s}$ ?
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Answer
(a)Mass of the bullet, $m=0.040 \mathrm{~kg}$
Speed of the bullet, $v=1.0 \mathrm{~km} / \mathrm{s}=1000 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
Planck’s constant, $h=6.6 \times 10^{-34} \mathrm{Js}$
De Broglie wavelength of the bullet is given by the relation:
$$ \begin{aligned} & \lambda=\frac{h}{m v} \\ & =\frac{6.6 \times 10^{-34}}{0.040 \times 1000}=1.65 \times 10^{-35} \mathrm{~m} \end{aligned} $$
Mass of the ball, $m=0.060 \mathrm{~kg}$
Speed of the ball, $v=1.0 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
De Broglie wavelength of the ball is given by the relation:
$$ \begin{aligned} & \lambda=\frac{h}{m v} \\ & =\frac{6.6 \times 10^{-34}}{0.060 \times 1}=1.1 \times 10^{-32} \mathrm{~m} \end{aligned} $$
(c)Mass of the dust particle, $m=1 \times 10^{-9} \mathrm{~kg}$
Speed of the dust particle, $v=2.2 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
De Broglie wavelength of the dust particle is given by the relation:
$$ \lambda=\frac{h}{m v} $$
$=\frac{6.6 \times 10^{-34}}{2.2 \times 1 \times 10^{-9}}=3.0 \times 10^{-25} \mathrm{~m}$
11.11 Show that the wavelength of electromagnetic radiation is equal to the de Broglie wavelength of its quantum (photon).
Show Answer
Answer
The momentum of a photon having energy $(h v)$ is given as:
$$ \begin{align*} & p=\frac{h v}{c}=\frac{h}{\lambda} \\ & \lambda=\frac{h}{p} \tag{i} \end{align*} $$
Where,
$\lambda=$ Wavelength of the electromagnetic radiation
$c=$ Speed of light
$h=$ Planck’s constant
De Broglie wavelength of the photon is given as:
$\lambda=\frac{h}{m v}$
But $p=m v$
$\therefore \lambda=\frac{h}{p}$
Where,
$m=$ Mass of the photon
$v=$ Velocity of the photon
Hence, it can be inferred from equations (i) and (ii) that the wavelength of the electromagnetic radiation is equal to the de Broglie wavelength of the photon.
11.1 भूमिका
सन् 1887 में वैद्युतचुंबकीय किरणों की उत्पत्ति एवं संसूचना पर विद्युत चुंबकत्व के मैक्सवेल समीकरण तथा हर्ट्ज़ के प्रयोगों ने प्रकाश की तरंगीय प्रकृति को अभूतपूर्व रूप से स्थापित किया। उन्नीसवीं शताब्दी के अंतिम चरण में विसर्जन-नलिका में गैसों में कम दाब पर विद्युत-चालन (विद्युत-विसर्जन) पर प्रायोगिक अन्वेषणों से कई ऐतिहासिक खोजें हुईं। रूंटगेन के द्वारा 1895 में $\mathrm{X}$-किरणों की खोज तथा जे. जे. टॉमसन के द्वारा 1897 में की गई इलेक्ट्रॉन की खोज परमाणु-संरचना को समझने में मील का पत्थर थीं। लगभग $0.001 \mathrm{~mm}$ पारे के स्तंभ के अत्यंत कम दाब पर यह पाया गया कि ऐसे दो इलेक्ट्रोडों के बीच, जिनके द्वारा विसर्जन-नलिका में गैस पर विद्युत क्षेत्र स्थापित किया जाता है, एक विसर्जन होता है। कैथोड के सम्मुख काँच पर प्रतिदीप्त उत्पन्न होती है। दीप्त का रंग काँच की प्रकृति पर निर्भर करता है, जैसे-सोडा-काँच के लिए पीत-हरा रंग का। इस प्रतिदीप्ति का कारण उस विकिरण को माना गया जो कैथोड से आ रहा था। ये कैथोड किरणें 1870 में विलियम क्रुक्स के द्वारा खोजी गई थीं, जिसने बाद में 1879 में यह सुझाया कि ये किरणें तीव्रता से चलने वाली ऋण-आवेशी कणों की धारा से बनी हैं। ब्रिटिश भौतिक शास्त्री जे.जे. टॉमसन $(1856$ - 1940) ने इस परिकल्पना की पुष्टि की। जे.जे. टॉमसन ने पहली बार विसर्जन-नलिका के आर-पार परस्पर लंबवत विद्युत एवं चुंबकीय क्षेत्रों को स्थापित कर प्रायोगिक तौर पर कैथोड-किरण कणों के वेग तथा आपेक्षिक आवेश [अर्थात आवेश और द्रव्यमान का अनुपात $(\mathrm{e} / \mathrm{m})]$ ज्ञात किया। यह पाया गया कि ये कण प्रकाश के वेग $\left(3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\right)$ के लगभग 0.1 से लेकर 0.2 गुने वेग से चलते हैं। वर्तमान में $\mathrm{e} / \mathrm{m}$ का स्वीकृत मान $1.76 \times$ $10^{11} \mathrm{C} / \mathrm{kg}$ है। यह भी पाया गया कि $e / m$ का मान कैथोड (उत्सर्जक) के पदार्थ अथवा धातु या विसर्जन-नलिका में भरी गैस की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता। इस प्रेक्षण ने कैथोड-किरण कणों की सार्विकता को सुझाया।
लगभग उसी समय, 1887 में, यह पाया गया कि जब कुछ निश्चित धातुओं को पराबैंगनी प्रकाश द्वारा किरणित करते हैं तो कम वेग वाले ऋण-आवेशित कण उत्सर्जित होते हैं। इसी प्रकार, जब कुछ निश्चित धातुओं को उच्च ताप तक गरम किया जाता है तो ये ऋण-आवेशित कण उत्सर्जित करते हैं। इन कणों के लिए $e / m$ का मान उतना ही पाया गया जितना कि कैथोड किरण कणों का था। इस प्रकार इन प्रेक्षणों ने यह स्थापित कर दिया कि ये सभी कण, यद्यपि भिन्न दशाओं में उत्पन्न हुए थे, प्रकृति में समान थे। जे.जे. टॉमसन ने, 1897 में, इन कणों को इलेक्ट्रॉन नाम दिया और सुझाया कि ये द्रव्य के मौलिक सार्वत्रिक अवयव हैं। गैसों में विद्युत के संवहन पर उनके सैद्धांतिक तथा प्रायोगिक प्रेक्षणों के द्वारा इलेक्ट्रॉन की इस युगांतकारी खोज के लिए उन्हें 1906 में नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया। 1913 में अमेरिकी भौतिकविज्ञानी आर.ए. मिलिकन (18681953) ने इलेक्ट्रॉन पर आवेश के परिशुद्ध मापन के लिए तेल-बूँद का पथ प्रदर्शक प्रयोग किया। उन्होंने यह पाया कि तेल-बिंदुक पर आवेश सदैव एक मूल आवेश, $1.602 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ का पूर्ण गुणांक है। मिलिकन के प्रयोग ने यह प्रस्थापित कर दिया कि वैद्युतआवेश क्वांटीकृत है। आवेश $(e)$ तथा आपेक्षित आवेश $(e / m)$ के मान से, इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $(m)$ ज्ञात किया जा सका।
11.2 इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन
हम जानते हैं कि धातुओं में मुक्त इलेक्ट्रॉन (ऋण आवेशित कण) होते हैं जो उनकी चालकता के लिए उत्तरदायी होते हैं। तथापि, मुक्त इलेक्ट्रॉन सामान्यतः धातु-पृष्ठ से बाहर नहीं निकल सकते। यदि इलेक्ट्रॉन धातु से बाहर आते हैं तो इसका पृष्ठ धन आवेश प्राप्त कर लेता है और इलेक्ट्रॉनों को वापस धातु पर आकर्षित कर लेता है। इस प्रकार मुक्त इलेक्ट्रॉन धातु के भीतर आयनों के आकर्षण बलों के द्वारा रोककर रखे गए होते हैं। परिणामस्वरूप सिर्फ़ वे इलेक्ट्रॉन जिसकी ऊर्जा इस आकर्षण को अभिभूत कर सके, धातु पृष्ठ से बाहर आ पाते हैं। अतः इलेक्ट्रॉनों को धातु पृष्ठ से बाहर निकालने के लिए एक निश्चित न्यूनतम ऊर्जा की आवश्यकता होती है। इस न्यूनतम ऊर्जा को धातु का कार्य-फलन कहते हैं। इसे साधारणतया $\phi _{\mathrm{o}}$ के द्वारा व्यक्त करते हैं और $\mathrm{eV}$ (इलेक्ट्रॉन वोल्ट) में मापते हैं। एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट किसी इलेक्ट्रॉन को 1 वोल्ट विभवांतर के द्वारा त्वरित कराने पर प्राप्त ऊर्जा का मान है। अतः $1 \mathrm{eV}=1.602 \times 10^{-19} \mathrm{~J}$
साधारणतया ऊर्जा की इस इकाई का प्रयोग परमाणु तथा नाभिकीय भौतिकी में किया जाता है। कार्य-फलन $\left(\phi _{0}\right)$ धातु के गुणों और इसके पृष्ठ की प्रकृति पर निर्भर करता है।
धातु के पृष्ठ से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के लिए मुक्त इलेक्ट्रॉनों को न्यूनतम आवश्यक ऊर्जा निम्न किसी भी एक भौतिक विधि के द्वारा दी जा सकती है :
(i) तापायनिक उत्सर्जन : उपयुक्त तापन के द्वारा मुक्त इलेक्ट्रॉनों को पर्याप्त तापीय ऊर्जा दी जा सकती है जिससे कि वे धातु से बाहर आ सकें।
(ii) क्षेत्र उत्सर्जन : किसी धातु पर लगाया गया एक प्रबल विद्युत क्षेत्र $\left(10^{8} \mathrm{~V} \mathrm{~m}^{-1}\right.$ की कोटि का) इलेक्ट्रॉनों को धातु-पृष्ठ के बाहर ला सकता है, जैसा कि किसी स्पार्क प्लग में।
(iii) प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन : उपयुक्त आवृत्ति का प्रकाश जब किसी धातु-पृष्ठ पर पड़ता है तो इलेक्ट्रॉनों का उत्सर्जन होता है। ये प्रकाशजनित इलेक्ट्रॉन प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन (photo-electron) कहलाते हैं।
11.3 प्रकाश-विद्युत प्रभाव
11.3.1 हर्ट्ज़ के परीक्षण
प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन की परिघटना की खोज हेनरिच हर्ट्ज़ (1857-1894) के द्वारा 1887 में वैद्युतचुंबकीय तरंगों के प्रयोगों के समय की गई थी। स्फुलिंग-विसर्जन (spark discharge) के द्वारा वैद्युतचुंबकीय तरंगों की उत्पत्ति के अपने प्रायोगिक अन्वेषण में हर्ट्ज़ ने यह प्रेक्षित किया कि कैथोड को किसी आर्क लैंप से पराबैंगनी प्रकाश के द्वारा प्रदीप्त करने पर धातु-इलेक्ट्रोडों के पार उच्च वोल्टता स्फुलिंग अधिक हो जाता है।
धातु-पृष्ठ पर चमकने वाला प्रकाश मुक्त आवेशित कणों जिन्हें अब हम इलेक्ट्रॉन कहते हैं, को स्वतंत्र करने में सहायता प्रदान करता है। जब धातु-पृष्ठ पर प्रकाश पड़ता है तो पृष्ठ के समीप इलेक्ट्रॉन आपतित विकिरण से पदार्थ के पृष्ठ में धनात्मक आयनों के आकर्षण को पार करने के लिए ऊर्जा अवशोषित कर लेते हैं। आपतित प्रकाश से आवश्यक ऊर्जा प्राप्त करने के पश्चात, इलेक्ट्रॉन धातु-पृष्ठ से बाहर परिवेश में आ जाते हैं।
11.3.2 हालवॉक्स तथा लीनार्ड के प्रेक्षण
विलहेल्म हालवॉक्स तथा फिलिप लीनार्ड ने 1886-1902 के बीच प्रकाशविद्युत उत्सर्जन की परिघटना का अन्वेषण किया।
दो इलेक्ट्रोडों ( धातु पट्टिकाओं) वाली किसी निर्वातित काँच की नली में उत्सर्जक पट्टिका पर पराबैंगनी विकिरणों को आपतित करने पर लीनार्ड (1862-1947) ने पाया कि परिपथ में धारा प्रवाह होता है (चित्र 11.1)। जैसे ही पराबैंगनी विकिणों को रोका गया, वैसे ही धारा प्रवाह भी रुक गया। इन परीक्षणों से ज्ञात होता है कि जब पराबैंगनी विकिरण उत्सर्जक पट्टिका $\mathrm{C}$ पर आपतित होते हैं, इलेक्ट्रॉन पट्टिका से बाहर आ जाते हैं तथा विद्युत क्षेत्र द्वारा धनात्मक संग्राहक पट्टिका $\mathrm{A}$ की ओर आकर्षित हो जाते हैं। निर्वातित काँच की नली में इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के कारण धाराप्रवाह होती है। इस प्रकार से, उत्सर्जक के पृष्ठ पर प्रकाश पड़ने के कारण बाह्य परिपथ में धाराप्रवाह होती है। हालवॉक्स तथा लीनार्ड ने संग्राहक पट्टिका के विभव, आपतित प्रकाश की आवृत्ति तथा तीव्रता के साथ प्रकाश धारा में परिवर्तन का अध्ययन किया।
हालवॉक्स ने 1888 में इस अध्ययन को आगे बढ़ाया और एक ऋणावेशित जिंक पट्टिका को एक विद्युतदर्शी से जोड़ दिया। उसने प्रेक्षित किया कि जब पट्टिका को पराबैंगनी प्रकाश से किरणित किया गया तो इसने अपना आवेश खो दिया। इसके अतिरिक्त जब एक अनावेशित जिंक पट्टिका को पराबैंगनी प्रकाश से किरणित किया गया तो यह धनावेशित हो गई। जिंक पट्टिका को पराबैंगनी प्रकाश से पुनः किरणित करने पर, इस पट्टिका पर धनआवेश और अधिक हो गया। इन प्रेक्षणों से उसने यह निष्कर्ष निकाला कि पराबैंगनी प्रकाश के प्रभाव से जिंक पट्टिका से ऋणावेशित कण उत्सर्जित होते हैं।
1897 में इलेक्ट्रॉन की खोज के पश्चात यह निश्चित हो गया कि उत्सर्जक पट्टिका से इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन का कारक आपतित प्रकाश है। ऋण आवेश के कारण उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र द्वारा संग्राहक पट्टिका की ओर धकेले जाते हैं। हालवॉक्स तथा लीनार्ड ने यह भी प्रेक्षित किया कि जब उत्सर्जक पट्टिका पर एक नियत न्यूनतम मान से कम आवृत्ति का पराबैंगनी प्रकाश पड़ता है तो कोई भी इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित नहीं होता। इस नियत न्यूनतम आवृत्ति को देहली आवृत्ति (threshold frequency) कहते हैं तथा इसका मान उत्सर्जक पट्टिका के पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर करता है।
यह पाया गया कि जिंक, कैडमियम, मैग्नीशियम जैसी कुछ धातुओं में यह प्रभाव केवल कम तरंगदैर्घ्य की पराबैंगनी तरंगों के लिए होता है। तथापि लीथियम, सोडियम, पोटेशियम, सीजियम तथा रूबीडियम जैसी क्षार धातुएँ दृश्य प्रकाश के द्वारा भी यह प्रभाव दर्शाती हैं। जब इन प्रकाश-संवेदी पदार्थों को प्रकाश से प्रदीप्त किया जाता है तो ये इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करते हैं। इलेक्ट्रॉन की खोज के पश्चात् इन इलेक्ट्रॉनों को प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन नाम दिया गया। यह परिघटना प्रकाश-विद्युत प्रभाव कहलाती है।
11.4 प्रकाश-विद्युत प्रभाव का प्रायोगिक अध्ययन
चित्र 11.1 में प्रकाश-विद्युत प्रभाव के प्रायोगिक अध्ययन के लिए उपयोग में लाई गई व्यवस्था को दर्शाया गया है। इसमें एक निर्वातित काँच/क्वार्टज़ की नली है जिसमें एक प्रकाश-संवेदी पट्टिका $\mathrm{C}$ और दूसरी धातु पट्टिका $\mathrm{A}$ है। स्रोत $\mathrm{S}$ से प्रकाश, गवाक्ष (window) $\mathrm{W}$ से पार होता है और पतली प्रकाश-संवेदी पट्टिका (उत्सर्जक) $\mathrm{C}$ पर पड़ता है। पारदर्शी क्वार्ट्ज़ गवाक्ष (काँच-नली पर मुद्रित) से पराबैंगनी विकिरण पार हो जाता है और प्रकाश-संवेदी पट्टिका $\mathrm{C}$ को किरणित करता है। पट्टिका $\mathrm{C}$ से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं जो पट्टिका $\mathrm{A}$ (संग्राहक) पर बैटरी द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र द्वारा एकत्र कर लिए जाते हैं। $\mathrm{C}$ तथा $\mathrm{A}$ पट्टिकाओं के बीच विभवांतर को बैटरी द्वारा बनाए रखा जाता है तथा इसे परिवर्तित किया जा सकता है। प्लेट $\mathrm{C}$ तथा $\mathrm{A}$ के ध्रुव दिशा दिक्परिवर्तक (Commutator) के द्वारा बदले जा सकते हैं। इस प्रकार उत्सर्जक पट्टिका $\mathrm{C}$ की तुलना में पट्टिका $\mathrm{A}$ को इच्छानुसार धन अथवा ऋण विभव पर रखा जा सकता है। जब संग्राहक पट्टिका $\mathrm{A}$, उत्सर्जक पट्टिका $\mathrm{C}$ की तुलना में धनात्मक होगी तब इलेक्ट्रॉन इसकी ओर आकर्षित होंगे। इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन के कारण विद्युत परिपथ में एक प्रवाह उत्पन्न होता है जिससे परिपथ में एक विद्युत धारा स्थापित हो जाती है। इलेक्ट्रोडों के बीच के विभवांतर को एक वोल्टमीटर के द्वारा और परिणामस्वरूप परिपथ में प्रवाहित होने वाली प्रकाशिक धारा को माइक्रोऐमीटर के द्वारा मापते हैं। प्रकाशिक विद्युत धारा को संग्राहक पट्टिका $\mathrm{A}$ का विभव उत्सर्जक पट्टिका $\mathrm{C}$ के सापेक्ष परिवर्तित करके बढ़ाया अथवा घटाया जा सकता है। आपतित प्रकाश की तीव्रता तथा आवृत्ति को भी परिवर्तित किया जा सकता है जैसे कि उत्सर्जक $\mathrm{C}$ और संग्राहक $\mathrm{A}$ के बीच विभवांतर $V$ को परिवर्तित किया जाता है।
चित्र 11.1 प्रकाश-विद्युत प्रभाव के अध्ययन के लिए प्रायोगिक व्यवस्था।
हम चित्र 11.1 की प्रायोगिक व्यवस्था का उपयोग प्रकाशिक धारा के (a) विकिरण की तीव्रता, (b) आपतित विकिरण की आवृत्ति, (c) पट्टिकाओं $\mathrm{A}$ तथा $\mathrm{C}$ के बीच के विभवांतर, तथा (d) पट्टिका $\mathrm{C}$ के पदार्थ की प्रकृति के साथ परिवर्तन के अध्ययन के लिए कर सकते हैं। उत्सर्जक $\mathrm{C}$ पर पड़ने वाले प्रकाश के मार्ग में उपयुक्त फिल्टर अथवा रंगीन काँच रखकर भिन्न तरंगदैर्घ्य के प्रकाश का उपयोग कर सकते हैं। प्रकाश स्रोत की उत्सर्जक से दूरी को बदलते हुए प्रकाश की तीव्रता को परिवर्तित किया जा सकता है।
11.4.1 प्रकाश-विद्युत धारा पर प्रकाश की तीव्रता का प्रभाव
संग्राहक $\mathrm{A}$ को उत्सर्जक $\mathrm{C}$ की तुलना में एक धन विभव पर रखा जाता है जिससे $\mathrm{C}$ से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन संग्राहक A की ओर आकर्षित होते हैं। आपतित विकिरण की आवृत्ति तथा विभव को स्थिर रखते हुए, प्रकाश की तीव्रता को परिवर्तित किया जाता है और परिणामी प्रकाश-विद्युत धारा को प्रत्येक बार मापा जाता है। यह पाया जाता है कि प्रकाशिक धारा आपतित प्रकाश की तीव्रता के साथ रैखिकतः बढ़ती है जैसा कि चित्र 11.2 में ग्राफीय रूप में दर्शाया गया है। प्रकाशिक धारा उत्सर्जित होने वाले प्रति सेकंड इलेक्ट्रॉनों की संख्या के अनुक्रमानुपाती है, अतः उत्सर्जित होने वाले प्रति सेकंड प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की संख्या आपतित विकिरण की तीव्रता के समानुपाती है।
चित्र 11.2 प्रकाश-विद्युत धारा और प्रकाश की तीव्रता के बीच ग्राफ।
11.4.2 प्रकाश-विद्युत धारा पर विभव का प्रभाव
हम पहले पट्टिका $\mathrm{A}$ को पट्टिका $\mathrm{C}$ की तुलना में किसी धन विभव पर रखते हैं और पट्टिका $\mathrm{C}$ को निश्चित आवृत्ति $v$ तथा निश्चित तीव्रता $I _{1}$ के प्रकाश से प्रदीप्त करते हैं। फिर हम पट्टिका $\mathrm{A}$ के धन विभव को धीरे-धीरे परिवर्तित करते हैं और प्रत्येक बार परिणामी प्रकाश-विद्युत धारा को मापते हैं। यह पाया जाता है कि प्रकाश-विद्युत धारा धन (त्वरक) विभव के साथ बढ़ती है। पट्टिका $A$ के एक निश्चित धन विभव के लिए एक ऐसी स्थिति आ जाती है जिस पर सभी उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन पट्टिका $A$ पर संग्रहीत हो जाते हैं तथा प्रकाश-विद्युत धारा उच्चतम हो जाती है अर्थात संतृप्त हो जाती है। यदि हम विद्युत पट्टिका $\mathrm{A}$ के त्वरक विभव को और अधिक बढ़ाते हैं तो प्रकाश-विद्युत धारा नहीं बढ़ती। प्रकाश-विद्युत धारा के इस उच्चतम मान को संतृप्त धारा कहते हैं। संतृप्त धारा उस स्थिति के संगत है जब उत्सर्जक पट्टिका $\mathrm{C}$ के द्वारा उत्सर्जित सभी प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन संग्राहक पट्टिका $A$ पर पहुँच जाते हैं।
चित्र 11.3 आपतित विकिरण की विभिन्न तीव्रताओं के लिए प्रकाशिक-धारा तथा पट्टिका विभव के बीच आलेख।
अब हम पट्टिका $\mathrm{A}$ पर पट्टिका $\mathrm{C}$ की तुलना में एक ॠण (मंदक) विभव लगाते हैं और इसे धीरे-धीरे अधिक ॠणात्मक करते जाते हैं। जब पट्टिकाओं की ध्रुवता बदली जाती है तो इलेक्ट्रॉन प्रतिकर्षित होते हैं तथा केवल कुछ पर्याप्त ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉन ही संग्राहक $A$ तक पहुँच पाते हैं। यह पाया गया कि प्रकाशिक-धारा तेज़ी से कम होती जाती है जब तक कि यह पट्टिका $\mathrm{A}$ पर ऋण विभव $\mathrm{V} _{0}$ के किसी निश्चित तीक्ष्ण और स्पष्ट क्रांतिक मान पर शून्य नहीं हो जाती। आपतित विकिरण की एक निश्चित आवृत्ति के लिए पट्टिका $\mathrm{A}$ पर दिया गया निम्नतम ऋण (मंदक) विभव $V _{O}$ जिस पर प्रकाशिक-धारा शून्य हो जाती है, अंतक (Cut-off) अथवा निरोधी विभव (Stopping potential) कहलाता है।
प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन के द्वारा प्रेक्षण की व्याख्या सीधी है। धातु से उत्सर्जित सभी प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन समान ऊर्जा वाले नहीं होते। प्रकाश-विद्युत धारा तब शून्य होती है जब निरोधी विभव अधिकतम ऊर्जा वाले प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों, जिनकी उच्चतम गतिज ऊर्जा $\left(K _{\text { उच्च }}\right)$ है, को प्रतिकर्षित करने की अवस्था में हो। अर्थात
$$ \begin{equation*} K _{\text { उच्च }}=e V _{0} \tag{11.1} \end{equation*} $$
अब हम इस प्रयोग को आपतित विकिरण की एकसमान आवृत्ति परंतु उच्च तीव्रता $I _{2}$ तथा $I _{3}$ $\left(I _{3}>I _{2}>I _{1}\right)$ के लिए दोहरा सकते हैं। हम यह नोट करते हैं कि अब संतृप्त धाराओं के मान बढ़ जाते हैं। इससे ज्ञात होता है कि आपतित विकिरण की तीव्रता के अनुपात में प्रति सेकंड अधिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। परंतु निरोधी विभव उतना ही रहता है जितना कि $I _{1}$ तीव्रता के आपतित विकरण के लिए होता है, जैसा कि चित्र 11.3 में ग्राफ के द्वारा दर्शाया गया है। इस प्रकार, आपतित विकिरण की एक निश्चित आवृत्ति के लिए निरोधी विभव इसकी तीव्रता से स्वतंत्र होता है। दूसरे शब्दों में, प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन की उच्चतम गतिज ऊर्जा, आपतित विकिरण की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है।
11.4.3 निरोधी विभव पर आपतित विकिरण की आवृत्ति का प्रभाव
अब हम आपतित विकिरण की आवृत्ति $v$ और निरोधी विभव $V _{0}$ के मध्य संबंध का अध्ययन करेंगे। हम प्रकाश विकिण की विभिन्न आवृत्तियों पर उपयुक्त प्रकार से एक ही तीव्रता को समायोजित करते हैं और संग्राही पट्टिका विभव के साथ प्रकाश-विद्युत धारा के परिवर्तन का अध्ययन करते हैं। परिणामी परिवर्तन को चित्र 11.4 में दर्शाया गया है।
चित्र 11.4 आपतित विकिरण की विभिन्न आवृत्तियों के लिए पट्रिका विभव तथा प्रकाश-विद्युत धारा के बीच आलेख।
हमें आपतित विकिरण की भिन्न आवृत्तियों के लिए निरोधी विभव के भिन्न मान परंतु संतृप्त धारा का एक ही मान प्राप्त होता है। उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा आपतित विकरणणों की आवृत्ति पर निर्भर है। आपतित विकिरण की उच्चतर आवृत्ति के लिए निरोधी विभव का मान अधिक ॠणात्मक होता है। चित्र 11.4 से यह ज्ञात होता है कि यदि आवृत्तियाँ $v _{3}>v _{2}>v _{1}$ के क्रम में हों तो निरोधी विभवों का क्रम $V _{03}>V _{02}>V _{01}$ होता है। इसमें यह अंतर्निहित है कि आपतित प्रकाश की आवृत्ति जितनी अधिक होगी, प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा उतनी ही अधिक होगी। फलस्वरूप, इन्हें पूर्ण रूप से रोकने के लिए अधिक निरोधी विभव की आवश्यकता होगी। यदि हम भिन्न धातुओं के लिए आपतित विकिरण की आवृत्ति और संबंधित निरोधी विभव के बीच ग्राफ़ खीचें तो हमें एक सीधी रेखा प्राप्त होती है जैसा कि चित्र 11.5 में दर्शाया गया है।
चित्र 11.5 एक दिए हुए प्रकाश संवेदी पदार्थ के लिए आपतित विकिरण की आवृत्ति $v$ के साथ निरोधी विभव $V _{0}$ का परिवर्तन।
ग्राफ़ यह दर्शाता है कि
(i) निरोधी विभव $V _{0}$ एक दिए हुए प्रकाश-संवेदी पदार्थ के लिए, आपतित विकिरण की आवृत्ति के साथ रैखिकतः परिवर्तित होता है।
(ii) एक निश्चित निम्नतम अंतक आवृत्ति $v _{0}$ होती है जिसके लिए निरोधी विभव शून्य होता है।
इन प्रेक्षणों में दो तथ्य अंतर्निहित हैं :
(i) प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा आपतित विकिरण की आवृत्ति के साथ रैखिकतः परिवर्तित होती है जबकि यह इसकी तीव्रता पर निर्भर नहीं होती।
(ii) आपतित विकिरण की आवृत्ति $v$ के लिए, जबकि इसका मान अंतक आवृत्ति $v _{O}$ से कम है, कोई प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन संभव नहीं है (तीव्रता अधिक होने की स्थिति में भी)।
इस न्यूनतम अंतक आवृत्ति $v _{0}$ को देहली आवृत्ति कहते हैं। यह भिन्न धातुओं के लिए भिन्न होती है।
भिन्न प्रकाश-संवेदी पदार्थ प्रकाश के लिए विभिन्न अनुक्रियाएँ दर्शाते हैं। सेलिनियम, जिंक अथवा कॉपर की तुलना में अधिक संवेदी है। एक ही प्रकाश-संवेदी पदार्थ विभिन्न तरंगदैर्घ्य के प्रकाश के लिए भिन्न अनुक्रिया दर्शाता है। उदाहरण के लिए, कॉपर में पराबैंगनी प्रकाश से प्रकाश-विद्युत प्रभाव होता है जबकि हरे अथवा लाल रंग के प्रकाश से यह प्रभाव नहीं होता।
ध्यान दें कि ऊपर के सभी प्रयोगों में यह पाया गया है कि यदि आपतित विकिरण की आवृत्ति देहली आवृत्ति से अधिक हो जाती है तो बिना किसी काल-पश्चता के तत्काल प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन प्रारंभ हो जाता है, तब भी जब आपतित विकिरण बहुत मंद हो। अब यह ज्ञात है कि $10^{-9} \mathrm{~s}$ की कोटि के या इससे कम समय में उत्सर्जन प्रारंभ हो जाता है।
अब हम इस अनुभाग में वर्णन किए गए प्रायोगिक लक्षणों एवं प्रेक्षणों का यहाँ सारांश देंगे :
(i) किसी दिए गए प्रकाश-संवेदी पदार्थ और आपतित विकिरण की आवृत्ति (देहली आवृत्ति से अधिक) के लिए, प्रकाश-विद्युत धारा आपतित प्रकाश की तीव्रता के अनुक्रमानुपाती होती है (चित्र 11.2)।
(ii) किसी दिए गए प्रकाश-संवेदी पदार्थ और आपतित विकिरण की आवृत्ति के लिए, संतृप्त धारा आपतित विकिरण की तीव्रता के अनुक्रमानुपाती पाई जाती है जबकि निरोधी विभव तीव्रता पर निर्भर नहीं होता है (चित्र 11.3)।
(iii) किसी दिए गए प्रकाश-संवेदी पदार्थ के लिए, एक निश्चित न्यूनतम अंतक-आवृत्ति होती है जिसे देहली आवृत्ति कहते हैं, जिसके नीचे प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों का कोई उत्सर्जन नहीं होता चाहे आपतित प्रकाश कितना भी तीव्र क्यों न हो। देहली आवृत्ति के ऊपर, निरोधी विभव अथवा तुल्यतः उत्सर्जित प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा आपतित विकिरण की आवृत्ति के साथ रैखिकतः बढ़ती है परंतु यह इसकी तीव्रता से स्वतंत्र होती है (चित्र 11.5)।
(iv) प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन बिना किसी काल-पश्चता के $\left(\sim 10^{-9} \mathrm{~s}\right.$ अथवा कम) एक तात्क्षणिक प्रक्रिया है, तब भी जब आपतित विकिरण को अत्यधिक मंद कर दिया जाता है।
11.5 प्रकाश-विद्युत प्रभाव तथा प्रकाश का तरंग सिद्धांत
प्रकाश की तरंग प्रकृति उन्नीसवीं शताब्दी के अंत तक अच्छी तरह स्थापित हो गई थी। प्रकाश के तरंग-चित्र के द्वारा व्यतिकरण, विवर्तन तथा ध्रुवण की घटनाओं की स्वाभाविक एवं संतोषजनक रूप में व्याख्या की जा चुकी थी। इस चित्र के अनुसार, प्रकाश एक वैद्युतचुंबकीय तरंग है, जो विद्युत एवं चुंबकीय क्षेत्र से मिलकर बनी होती है तथा जिस आकाशीय क्षेत्र में फैली होती है, वहाँ ऊर्जा का संतत वितरण होता है। अब हम यह देखेंगे कि क्या प्रकाश का यह तरंग-चित्रण पिछले अनुभाग में दिए गए प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन संबंधी प्रेक्षणों की व्याख्या कर सकता है।
प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन के तरंग-चित्रण के अनुसार धातु के पृष्ठ (जहाँ विकिरण की किरण-पुंज पड़ती है) पर स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन विकिरित ऊर्जा को संतत रूप में अवशोषित करते हैं। जितनी अधिक प्रकाश की तीव्रता होगी उतने ही अधिक वैद्युत तथा चुंबकीय क्षेत्रों के आयाम होंगे। परिणामस्वरूप, तीव्रता जितनी अधिक होगी उतना ही अधिक प्रत्येक इलेक्ट्रॉन के द्वारा ऊर्जा-अवशोषण होना चाहिए। इस चित्रण के अनुसार, प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन की उच्चतम गतिज ऊर्जा तीव्रता में वृद्धि के साथ बढ़नी चाहिए। साथ ही, चाहे प्रकाश की आवृत्ति कुछ भी हो, में समर्थ होगा जो इनके धातु-पृष्ठ से बाहर निकलने के लिए आवश्यक निम्नतम ऊर्जा से अधिक होगी। इसलिए, एक देहली आवृत्ति का अस्तित्व नहीं होना चाहिए। तरंग सिद्धांत की इन प्रागुक्तियों से अनुभाग 11.4 .3 में दिए गए प्रेक्षणों (i), (ii) तथा (iii) का सीधे विरोध होता है।
आगे हमें ध्यान रखना होगा कि तरंग-चित्रण में, इलेक्ट्रॉन द्वारा ऊर्जा का संतत अवशोषण विकिरण के पूरे तरंगाग्र पर होता है। चूँकि एक बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा अवशोषित करते हैं, अतः प्रति इलेक्ट्रॉन प्रति इकाई समय में अवशोषित ऊर्जा बहुत कम होगी। स्पष्ट गणना से यह आकलन किया जा सकता है कि एकल इलेक्ट्रॉन के लिए कार्य-फलन को पार कर धातु से बाहर निकल आने के लिए पर्याप्त ऊर्जा जुटाने में कई घंटे अथवा और भी अधिक समय लग सकता है। यह निष्कर्ष भी प्रेक्षण (iv), जिसके अनुसार प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन (लगभग) तात्क्षणिक होता है, के बिलकुल विपरीत है। संक्षेप में, तरंग-चित्रण के द्वारा प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन के अत्यंत मूल लक्षणों की व्याख्या नहीं हो सकती।
11.6 आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत समीकरण : विकिरण का ऊर्जा क्वांटम
सन् 1905 में अल्बर्ट आइंसटाइन (1879 - 1955) ने प्रकाश-विद्युत प्रभाव की व्याख्या के लिए वैद्युतचुंबकीय विकिरण का एक मौलिक रूप से नया चित्रण प्रस्तावित किया। इस चित्रण में, प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन विकिरण से संतत ऊर्जा-अवशोषण के द्वारा नहीं होता। विकिरण ऊर्जा विविक्त इकाइयों से बनी होती है-जो विकिरण की ऊर्जा के क्वांटा कहलाते हैं। विकिरण ऊर्जा के प्रत्येक क्वांटम की ऊर्जा $h v$ होती है, जहाँ $h$ प्लांक स्थिरांक है और $v$ प्रकाश की आवृत्ति। प्रकाश-विद्युत प्रभाव में, एक इलेक्ट्रॉन विकिरण के एक क्वांटम की ऊर्जा $(h v)$ अवशोषित करता है। यदि ऊर्जा का यह अवशोषित क्वांटम इलेक्ट्रॉन के लिए धातु की सतह से बाहर निकल आने के लिए निम्नतम आवश्यक ऊर्जा से अधिक होता है (कार्य-फलन, $\phi _{0}$ ) तब उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन की अधिकतम गतिज ऊर्जा होगी :
$$ \begin{equation*} K _{\text {sच्च}}=h v-\phi _{0} \tag{11.2} \end{equation*} $$
अधिक दृढ़ता से आबद्ध इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जित होने पर उनकी गतिज ऊर्जा अपने अधिकतम मान से कम होती है। ध्यान दें कि किसी आवृत्ति के प्रकाश की तीव्रता, प्रति सेकंड आपतित फ़ोटॉनों की संख्या द्वारा निर्धारित होती है। तीव्रता बढ़ाने पर प्रति सेकंड उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ती है। तथापि, उत्सर्जित प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा प्रत्येक फ़ोटॉन की ऊर्जा द्वारा निर्धारित होती है।
समीकरण (11.2) को आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत समीकरण कहते हैं। अब हम यह देख सकते हैं कि किस प्रकार यह समीकरण अनुभाग 11.4.3 में दिए प्रकाश-विद्युत प्रभाव से संबंधित सभी प्रेक्षणों को एक सरल एवं परिष्कृत ढंग से प्रस्तुत करता है।
- समीकरण (11.2) के अनुसार, प्रेक्षण के अनुरूप, $K _{\text {उन्च }}$ आवृत्ति $v$ पर रैखिकतः निर्भर करती है और विकिरण की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है। ऐसा इसलिए हुआ है क्योंकि आइंस्टाइन के चित्रण में, प्रकाश-विद्युत प्रभाव एकल इलेक्ट्रॉन द्वारा विकिरण के एकल क्वांटम के अवशोषण से उत्पन्न होता है। विकिरण की तीव्रता (जो ऊर्जा क्वांटमों की संख्या प्रति इकाई क्षेत्रफल प्रति इकाई समय के अनुक्रमानुपाती है) इस मूल प्रक्रिया के लिए असंगत है।
अल्बर्ट आइंस्टाइन (1879 - 1955)
सन् 1879 में जर्मनी में उल्म नामक स्थान पर जन्मे अल्बर्ट आइंसटाइन आज तक के विश्व के भौतिकविदों में सर्वाधिक महान भौतिकविद के रूप में जाने जाते हैं। उनका विस्मयकारी वैज्ञानिक जीवन उनके सन् 1905 में प्रकाशित तीन क्रांतिकारी शोधपत्रों से आरंभ हुआ। उन्होंने अपने प्रथम शोधपत्र में प्रकाश क्वांटा (अब फ़ोटॉन कहा जाता है) की धारणा को प्रस्तुत किया और प्रकाश-वैद्युत प्रभाव के उस लक्षण की व्याख्या की जिसे विकिरण का चिरप्रतिष्ठित तरंग सिद्धांत नहीं समझा सका। अपने दूसरे शोधपत्र में उन्होंने ब्राउनी गति का सिद्धांत विकसित किया जिसकी कुछ वर्षों बाद प्रयोगात्मक पुष्टि हुई और जिसने द्रव्य के आण्विक चित्रण का विश्वासोत्पादक साक्ष्य उपलब्ध कराया। उनके तृतीय शोधपत्र ने आपेक्षिकता के विशिष्ट सिद्धांत को जन्म दिया। सन् 1916 में उन्होंने आपेक्षिकता के व्यापक सिद्धांत को प्रकाशित किया। आइंस्टाइन के कुछ अन्य महत्वपूर्ण योगदान हैं : उद्दीपित उत्सर्जन की धारणा जो प्लांक कृष्णिका विकिरण नियम के एक वैकल्पिक व्युत्पन्न में प्रस्तुत की गई है, विश्व का स्थैतिक प्रतिरूप जिसने आधुनिक ब्रह्मांडिकी का आरंभ किया, किसी गैस के स्थूल बोसॉन की क्वांटम-सांख्यिकी तथा क्वांटम-यांत्रिकी की संस्थापना का आलोचनात्मक विश्लेषण। सैद्धांतिक भौतिकी में उनके योगदान तथा प्रकाश-विद्युत प्रभाव के लिए 1921 में उन्हें नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।
-
क्योंकि $K _{\text {उच्च }}$ ॠण राशि नहीं होगी, समीकरण (11.2) में यह अंतर्निहित है कि प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन तभी संभव है जब
$\quad\quad$ $h v>\phi_{0}$
$\quad\quad$ or $v>v_{0}$, जहाँ
$\quad\quad$ $v_{0}=\frac{\varphi_{0}}{h}$ {11.3}
समीकरण (11.3) के अनुसार, कार्य-फलन $\phi _{0}$ के अधिक मान के लिए, प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करने के लिए आवश्यक न्यूनतम अथवा देहली आवृत्ति $v _{0}$ का मान अधिक होगा। इस प्रकार, एक देहली आवृत्ति $v _{0}\left(=\phi _{0} / h\right)$ अस्तित्व में होती है जिससे कम आवृत्ति पर कोई प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन संभव नहीं है, चाहे विकिरण की तीव्रता कुछ भी क्यों न हो अथवा वह पृष्ठ पर कितनी भी देर क्यों न पड़े।
-
इस चित्रण में, विकिरण की तीव्रता, जैसा ऊपर परिलक्षित है, ऊर्जा क्वांटा की संख्या प्रति इकाई क्षेत्रफल प्रति इकाई समय के अनुक्रमानुपाती होती है। जितनी अधिक संख्या में ऊर्जा क्वांटा उपलब्ध होंगे, उतनी ही अधिक संख्या में इलेक्ट्रॉन ऊर्जा क्वांटा का अवशोषण करेंगे और इसलिए ( $v>$ $v _{0}$ के लिए) धातु से बाहर आने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या उतनी ही अधिक होगी। इससे यह स्पष्ट हो जाता है कि क्यों $v>v _{0}$ के लिए प्रकाश-विद्युत धारा तीव्रता के अनुक्रमानुपाती होती है।
-
आइंस्टाइन के चित्रण में, प्रकाश-विद्युत प्रभाव में एक इलेक्ट्रॉन के द्वारा प्रकाश के एक क्वांटम का अवशोषण मूल प्राथमिक प्रक्रिया होती है। यह प्रक्रिया तात्क्षणिक होती है। इस प्रकार, तीव्रता अर्थात विकिरण क्वांटा की संख्या चाहे जितनी भी हो, प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन तात्क्षणिक ही होगा। कम तीव्रता से उत्सर्जन में विलंब नहीं होगा क्योंकि मूल प्राथमिक प्रक्रिया वही रहेगी। तीव्रता से केवल यह निर्धारित होता है कि कितने इलेक्ट्रॉन इस प्राथमिक प्रक्रिया (एक एकल इलेक्ट्रॉन द्वारा एक प्रकाश क्वांटम का अवशोषण) में भाग ले सकने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या से ही प्रकाश-विद्युत धारा के परिमाण का निर्धारण होता है।
समीकरण (11.1) का उपयोग कर, प्रकाश-विद्युत समीकरण (11.2) को इस प्रकार लिखा जा सकता है
$$ \begin{align*} & e V _{0}=h v-\phi _{0} ; \text { के लिए } v \geq v _{0} \\ & \text { अथवा } V _{0}=\left(\frac{h}{e}\right) v-\frac{\phi _{0}}{e} \tag{11.4} \end{align*} $$
यह एक महत्वपूर्ण परिणाम है। इससे यह प्रागुक्ति होती है कि $V _{0}$ के विरुद्ध $v$ का वक्र एक सरल रेखा है, जिसका ढलान $=(h / e)$, जो कि पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर नहीं करता। 1906-1916 के मध्य, मिलिकन ने आइंस्टाइन के प्रकाश-विद्युत समीकरण को असत्यापित करने के लिए प्रकाश-वैद्युत प्रभाव पर प्रयोगों की शृंखला की। चित्र 11.5 में दर्शाए अनुसार, उसने सोडियम के लिए प्राप्त सरल रेखा का ढलान मापा। $e$ के ज्ञात मान का उपयोग कर उसने प्लांक स्थिरांक $h$ का मान निर्धारित किया था। यह मान प्लांक स्थिरांक के उस मान $(=6.626$ $\times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}$ ) के निकट था जिसे बिलकुल ही भिन्न संदर्भ में ज्ञात किया गया था। इस प्रकार से 1916 में मिलिकन ने आइंस्टाइन के प्रकाश-विद्युत समीकरण को असत्यापित करने के स्थान पर उसकी सत्यता को स्थापित किया।
प्रकाश क्वांटा की परिकल्पना एवं $h$ तथा $\phi _{0}$ के मान (जो अन्य प्रयोगों से प्राप्त मान से मेल रखते हैं) के निर्धारण के उपयोग से प्रकाश-विद्युत प्रभाव के आइंस्टाइन के चित्रण को स्वीकारा गया। मिलिकन ने प्रकाश-विद्युत समीकरण को बड़ी परिशुद्धता से कई क्षारीय धातुओं के लिए विकिरण-आवृत्तियों के विस्तृत परास के लिए सत्यापित किया।
11.7 प्रकाश की कणीय प्रकृति : फ़ोटॉन
प्रकाश-विद्युत प्रभाव ने इस विलक्षण तथ्य को प्रमाणित किया कि प्रकाश किसी द्रव्य के साथ अन्योन्य क्रिया में इस प्रकार व्यवहार करता है जैसे यह क्वांटा अथवा ऊर्जा के पैकेट (जिनमें प्रत्येक की ऊर्जा $h v$ है) का बना हो।
क्या प्रकाश ऊर्जा के क्वांटम को किसी कण से संबद्ध किया जा सकता है? आइंसटाइन एक महत्वपूर्ण परिणाम पर पहुँचे कि प्रकाश क्वांटम को संवेग $(h v / c)$ से संबद्ध किया जा सकता है। ऊर्जा के साथ-साथ संवेग का निश्चित मान इसका प्रबल सूचक है कि प्रकाश क्वांटम को कण से संबद्ध किया जा सकता है। इस कण को बाद में फ़ोटॉन नाम दिया गया। प्रकाश के कण जैसे व्यवहार को ए. एच. कांपटन (1892-1962) के इलेक्ट्रॉन के द्वारा X-किरणों के प्रकीर्णन के प्रयोग से सन् 1924 में पुनः पुष्ट किया गया। सैद्धांतिक भौतिकी में योगदान तथा प्रकाश-विद्युत प्रभाव के अपने कार्य के लिए आइंस्टाइन को 1921 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया। विद्युत के मूल आवेश तथा प्रकाश-विद्युत प्रभाव पर किए गए कार्य के लिए सन् 1923 में मिलिकन को भौतिकी का नोबेल पुरस्कार प्रदान किया गया।
हम वैद्युतचुंबकीय विकिरण के फ़ोटॉन चित्रण का सारांश निम्नानुसार दे सकते हैं :
(i) विकिरण के द्रव्य के साथ अन्योन्य क्रिया में, विकिरण इस प्रकार व्यवहार करता है मानो यह ऐसे कणों से बना हो जिन्हें फ़ोटॉन कहते हैं।
(ii) प्रत्येक फ़ोटॉन की ऊर्जा $E(=h v)$ होती है और संवेग $p(=h v / c)$ तथा चाल $c$ होती है। जहाँ $c$ प्रकाश की चाल है।
(iii) एक निश्चित आवृत्ति $v$, अथवा तरंगदैर्घ्य $\lambda$, के सभी फ़ोटॉनों की ऊर्जा $E(=h v=h c / \lambda)$ और संवेग $p(=h v / c=h / \lambda)$, एकसमान होते हैं (विकिरण की तीव्रता चाहे जो भी हो)। किसी दी गई तरंगदैर्घ्य के प्रकाश की तीव्रता बढ़ाने पर केवल किसी दिए गए क्षेत्र से गुज़रने वाले प्रति सेकंड फोटॉनों की संख्या ही बढ़ती है (सभी फोटॉनों की ऊर्जा एकसमान होती है)। अतः फ़ोटॉन की ऊर्जा विकिरण की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती।
(iv) फ़ोटॉन विद्युत उदासीन होते हैं और विद्युत तथा चुंबकीय क्षेत्रों के द्वारा विक्षेपित नहीं होते।
(v) फ़ोटॉन-कण संघट्ट (जैसे कि फोटॉन-इलेक्ट्रॉन संघट्ट) में कुल ऊर्जा तथा कुल संवेग संरक्षित रहते हैं। तथापि, किसी संघट्ट में फ़ोटॉनों की संख्या भी संरक्षित नहीं रह सकती है। फ़ोटॉन अवशोषित हो सकता है अथवा एक नया फ़ोटॉन सृजित हो सकता है।
उदाहरण 11.1 $6 .0 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ आवृत्ति का एकवर्णी प्रकाश किसी लेसर के द्वारा उत्पन्न किया जाता है। उत्सर्जन क्षमता $2.0 \times 10^{-3} \mathrm{~W}$ है। (a) प्रकाश किरण-पुंज में किसी फ़ोटॉन की ऊर्जा कितनी है? (b) स्रोत के द्वारा औसत तौर पर प्रति सेकंड कितने फ़ोटॉन उत्सर्जित होते हैं?
हल
(a) प्रत्येक फ़ोटॉन की ऊर्जा होगी
$$ \begin{aligned} E & =h v=\left(6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}\right)\left(6.0 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}\right) \\ & =3.98 \times 10^{-19} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
(b) यदि स्रोत के द्वारा प्रति सेकंड उत्सर्जित फ़ोटॉनों की संख्या $N$ है तो किरण-पुंज में संचरित क्षमता $P$ प्रति फ़ोटॉन ऊर्जा $E$ के $N$ गुना होगी जिससे कि $P=N E$ । तब
$$ \begin{aligned} N & =\frac{P}{E}=\frac{2.0 \times 10^{-3} \mathrm{~W}}{3.98 \times 10^{-19} \mathrm{~J}} \\ & =5.0 \times 10^{15} \text { फ़ोटॉन प्रति सेकंड } \end{aligned} $$
उदाहरण 11.2 यदि सीज़ियम का कार्य-फलन $2.14 \mathrm{eV}$ है तो परिकलन कीजिए : (a) सीज़ियम की देहली आवृत्ति तथा (b) आपतित प्रकाश का तरंगदैर्घ्य, यदि प्रकाशिक धारा को $0.60 \mathrm{~V}$ का एक निरोधी विभव लगाकर शून्य किया जाए।
हल
(a) अंतक अथवा देहली आवृत्ति के लिए, आपतित विकिरण की ऊर्जा $h v _{0}$ कार्य फलन $\phi _{0}$ के समान होती है। अत:
$$ \begin{aligned} v _{0}= & \frac{\phi _{0}}{h}=\frac{2.14 \mathrm{eV}}{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}} \\ & =\frac{2.14 \times 1.6 \times 10^{-19} \mathrm{~J}}{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}=5.16 \times 10^{14} \mathrm{~Hz} \end{aligned} $$
इस प्रकार $v _{0}=5.16 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ से कम आवृत्तियों के लिए, कोई प्रकाशिक इलेक्ट्रॉन मुक्त नहीं होता है।
(b) उत्सर्जित प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा $e V _{0}$ स्थितिज ऊर्जा (मंदन-विभव $V _{0}$ के द्वारा) के समान होने की स्थिति में प्रकाशिक धारा शून्य हो जाती है। आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत समीकरण इस प्रकार है :
$$ \begin{aligned} e V_{0} & =h v-\phi_{0}=\frac{h c}{\lambda}-\phi_{0} \\ \text { अथवा, } \lambda & =h c /\left(e V_{0}+\phi_{0}\right) \end{aligned} $$
$$ \begin{aligned} & =\frac{\left(6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}\right) \times\left(3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\right)}{(0.60 \mathrm{eV}+2.14 \mathrm{eV})} \\ & =\frac{19.89 \times 10^{-26} \mathrm{~J} \mathrm{~m}}{(2.74 \mathrm{eV})} \\ \lambda & =\frac{19.89 \times 10^{-26} \mathrm{~J} \mathrm{~m}}{2.74 \times 1.6 \times 10^{-19} \mathrm{~J}}=454 \mathrm{~nm} \end{aligned} $$
11.8 द्रव्य की तरंग प्रकृति
प्रकाश (व्यापक तौर पर वैद्युतचुंबकीय विकिण) की द्वैत प्रकृति (तरंग-कण), वर्तमान तथा पूर्व अध्यायों में किए गए अध्ययन द्वारा, स्पष्ट रूप से प्रकट होती है। प्रकाश की तरंग प्रकृति व्यतिकरण, विवर्तन तथा ध्रुवण की परिघटनाओं में दृष्टिगोचर होती है। दूसरी ओर, प्रकाश-विद्युत प्रभाव तथा कॉम्पटन प्रभाव जिनमें ऊर्जा और संवेग का अंतरण होता है, विकिरण इस प्रकार व्यवहार करता है कि मानो यह कणों के गुच्छ अर्थात फ़ोटॉनों से बना हो। कण अथवा तरंग-चित्रण में से कौन किसी प्रयोग को समझने में सर्वाधिक उपयुक्त है, यह प्रयोग की प्रकृति पर निर्भर है। उदाहरण के लिए, अपने नेत्रों से किसी वस्तु को देखने की सुपरिचित घटना में दोनों ही चित्रण महत्वपूर्ण हैं। नेत्र लेंस द्वारा प्रकाश को एकत्र कर फ़ोकस करने की प्रक्रिया को तरंग-चित्रण से भली-भाँति विवेचित किया गया है। परंतु इसका शलाकाओं तथा शंकुओं (रेटिना के) द्वारा अवशोषण में फोटॉन चित्रण की आवश्यकता होती है।
एक स्वाभाविक प्रश्न यह उठता है कि यदि विकरण की द्वैत प्रकृति (तरंग तथा कण) है तो क्या प्रकृति के कण (इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आदि) भी तरंग-जैसा लक्षण प्रदर्शित करते हैं? सन् 1924 में एक फ्रांसीसी भौतिकवैज्ञानिक लुइस विक्टर दे ब्रॉग्ली (फ्रेंच उच्चारण में इसे लुई विक्टर दे ब्राए पुकारा जाता है) (1892 - 1987) ने एक निर्भीक परिकल्पना को प्रस्तुत किया कि पदार्थ के गतिमान कण उपयुक्त परिस्थितियों में तरंग सदृश गुण प्रदर्शित कर सकते हैं। उसने यह तर्क दिया कि प्रकृति सममित है और दो मूल भौतिक सत्ताओं, द्रव्य एवं ऊर्जा, का भी सममित लक्षण होना चाहिए। यदि विकिरण का द्वैत लक्षण है तो द्रव्य का भी होना चाहिए। दे ब्रॉग्ली ने प्रस्तावित किया कि संवेग $p$ के कण के साथ जुड़ी तरंगदैर्घ्य $\lambda$ निम्न प्रकार दर्शायी जा सकती है :
$$ \begin{equation*} \lambda=\frac{h}{p}=\frac{h}{m v} \tag{11.5} \end{equation*} $$
जहाँ $m$ कण का द्रव्यमान तथा $v$ इसकी चाल है। समीकरण (11.5) को
लुईस विक्टर दे ब्रॉग्ली (1892 1987) फ्रांसीसी भौतिकविद, जिन्होंने द्रव्य की तरंग प्रकृति का क्रांतिकारी विचार प्रस्तुत किया। यह विचार इरविन श्रोडिंगर द्वारा क्वांटम-यांत्रिकी के एक संपूर्ण सिद्धांत के रूप में विकसित किया गया, जिसे सामान्यतः तरंग-यांत्रिकी कहते हैं। इलेक्ट्रॉनों की तरंग प्रकृति की खोज के लिए इन्हें सन् 1929 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया।
दे ब्रॉग्ली का संबंध और द्रव्य-तरंग के तरंगैैर्घ्य $\lambda$ को दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य कहते हैं। द्रव्य का द्वैत स्वरूप दे ब्रॉग्ली के संबंध में स्पष्ट है। समीकरण (11.5) की बाईं ओर, $\lambda$ तरंग का लक्षण है जबकि दाईं ओर संवेग $p$ कण का विशिष्ट लक्षण है। प्लांक स्थिरांक $h$ दोनों लक्षणों को संयोजित करता है। समीकरण (11.5) एक पदार्थ-कण के लिए मूलतः एक परिकल्पना है जिसकी तर्कसंगति केवल प्रयोग के द्वारा ही परखी जा सकती है। तथापि, यह देखना रोचक है कि यह एक फ़ोटॉन के द्वारा भी संतुष्ट होता है। एक फ़ोटॉन के लिए, जैसा कि हमने देखा है,
$$ \begin{equation*} p=h v / c \tag{11.6} \end{equation*} $$
इसलिए,
$$ \begin{equation*} \frac{h}{p}=\frac{c}{v}=\lambda \tag{11.7} \end{equation*} $$
अर्थात, एक फोटॉन का दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य जो समीकरण (11.5) द्वारा दिया गया है उस वैद्युतचुंबकीय विकिरण के तरंगदैर्घ्य के समान होता है तथा फोटॉन विकिरण की ऊर्जा तथा संवेग का एक क्वांटम है।
स्पष्टतः समीकरण (11.5) के द्वारा, $\lambda$ एक ज़्यादा भारी कण (बड़ा $m$ ) अथवा अधिक ऊर्जस्वी कण (बड़े $v$ ) के लिए छोटा होगा। उदाहरण के लिए, एक $0.12 \mathrm{~kg}$ द्रव्यमान की गेंद जो $20 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}$ की चाल से चल रही है, की दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य का सरलता से परिकलन किया जा सकता है।
$$ \begin{aligned} & p=m v=0.12 \mathrm{~kg} \times 20 \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}=2.40 \mathrm{~kg} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1} \\ & \lambda=\frac{h}{p}=\frac{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}{2.40 \mathrm{~kg} \mathrm{~m} \mathrm{~s}^{-1}}=2.76 \times 10^{-34} \mathrm{~m} \end{aligned} $$
यह तरंगदैर्घ्य इतनी छोटी है कि यह किसी मापन की सीमा से बाहर है। यही कारण है कि स्थूल वस्तुएँ हमारे दैनिक जीवन में तरंग-सदृश गुण नहीं दर्शातीं। दूसरी ओर, अव-परमाण्विक डोमेन (Sub-atomic domain) में, कणों का तरंग लक्षण महत्वपूर्ण है तथा मापने योग्य है।
उदाहरण 11.3 (a) एक इलेक्ट्रॉन जो $5.4 \times 10^6 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ की चाल से गति कर रहा है, (b) $150 \mathrm{~g}$ द्रव्यमान की एक गेंद जो $30.0 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ की चाल से गति कर रही है, से जुड़ी दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य क्या होगी?
हल
(a) इलेक्ट्रॉन के लिए
$$ \begin{aligned} & \text { द्रव्यमान } m=9.11 \times 10^{-31} \mathrm{~kg}, \text { वेग } v=5.4 \times 10^6 \mathrm{~m} / \mathrm{s} \\ & \text { तब संवेग } p=m v=9.11 \times 10^{-31}(\mathrm{~kg}) \times 5.4 \times 10^6(\mathrm{~m} / \mathrm{s}) \\ & p=4.92 \times 10^{-24} \mathrm{~kg} \mathrm{~m} / \mathrm{s} \end{aligned} $$
दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य, $\lambda=h / p$
$$ \begin{aligned} & =\frac{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{Js}}{4.92 \times 10^{-24} \mathrm{~kg} \mathrm{~m} / \mathrm{s}} \\ \lambda & =0.135 \mathrm{~nm} \end{aligned} $$
(b) गेंद के लिए
द्रव्यमान $m^{\prime}=0.150 \mathrm{~kg}$, वेग $v^{\prime}=30.0 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$
तब संवेग
$$ \begin{aligned} & p^{\prime}=m^{\prime} v^{\prime}=0.150(\mathrm{~kg}) \times 30.0(\mathrm{~m} / \mathrm{s}) \\ & p^{\prime}=4.50 \mathrm{~kg} \mathrm{~m} / \mathrm{s} \end{aligned} $$
दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य $\lambda^{\prime}=h / p^{\prime}$
$$ =\frac{6.63 \times 10^{-34} \mathrm{~J} \mathrm{~s}}{4.50 \times \mathrm{kg} \mathrm{m} / \mathrm{s}} $$
$$ \lambda^{\prime}=1.47 \times 10^{-34} \mathrm{~m} $$
इलेक्ट्रॉन के लिए दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य $\mathrm{X}$-किरण तरंगदैर्घ्य के समान है। परंतु गेंद के लिए यह प्रोटॉन के आकार के लगभग $10^{-19}$ गुना है जो प्रायोगिक मापन की सीमा के बिलकुल बाहर है।
सारांश
1. किसी इलेक्ट्रॉन को धातु से बाहर निकालने के लिए न्यूनतम ऊर्जा को धातु का कार्य-फलन कहते हैं। धातु-पृष्ठ से इलेक्ट्रॉन-उत्सर्जन के लिए आवश्यक ऊर्जा (कार्य-फलन $\phi _{0}$ से अधिक) को उपयुक्त तापन अथवा प्रबल विद्युत क्षेत्र अथवा उपयुक्त आवृत्ति के प्रकाश द्वारा विकिरित करने से दी जा सकती है।
2. प्रकाश-विद्युत प्रभाव धातुओं से उपयुक्त आवृत्ति के प्रकाश से प्रदीप्त करने पर इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की परिघटना है। कुछ धातु पराबैंगनी प्रकाश से प्रतिक्रिया करते हैं जबकि दूसरे दृश्य-प्रकाश के लिए भी सुग्राही हैं। प्रकाश-विद्युत प्रभाव में प्रकाश ऊर्जा का वैद्युत ऊर्जा में रूपांतरण होता है। यह ऊर्जा के संरक्षण के नियम का पालन करता है। प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन एक तात्क्षणिक प्रक्रिया है और इसके कुछ विशिष्ट लक्षण होते हैं।
3. प्रकाश-विद्युत धारा (i) आपतित प्रकाश की तीव्रता, (ii) दो इलेक्ट्रोडों के बीच लगाया गया विभवांतर, और (iii) उत्सर्जक के पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर करती है।
4. रोधक विभव $\left(V _{\mathrm{o}}\right)$ (i) आपतित प्रकाश की आवृत्ति और (ii) उत्सर्जक पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर करता है। आपतित प्रकाश की किसी दी हुई आवृत्ति के लिए, यह इसकी तीव्रता पर निर्भर नहीं करता है। रोधक विभव का उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा से संबंधित है:
$e V _{0}=\frac{1}{2} m v _{\text {उच्च }}^{2}=K _{\text {उच्च }}$
5. एक निश्चित आवृत्ति (देहली आवृत्ति) $v _{0}$ के नीचे जो धातु का अभिलक्षण है, कोई प्रकाश-विद्युत उत्सर्जित नहीं होता चाहे आपतित प्रकाश की तीव्रता कितनी भी अधिक क्यों न हो।
6. क्लासिकी तरंग-सिद्धांत प्रकाश-विद्युत प्रभाव के मुख्य लक्षणों की व्याख्या नहीं कर सका। इसका विकिरण से ऊर्जा का संतत अवशोषण का चित्रण $K _{\text {उन्ब }}$ की तीव्रता से स्वतंत्रता, $v _{\mathrm{o}}$ के अस्तित्व और इस प्रक्रिया की तात्क्षणिक प्रकृति की व्याख्या नहीं कर सका। आइंस्टाइन ने इन लक्षणों की व्याख्या प्रकाश के फ़ोटॉन-चित्रण के आधार पर की। इसके अनुसार प्रकाश, ऊर्जा के विविक्त पैकेटों से बना है, जिन्हें क्वांटा अथवा फ़ोटॉन कहते हैं। प्रत्येक फोटॉन की ऊर्जा $E(=h v)$ और संवेग $p(=h / \lambda)$ होता है, जो कि आपतित प्रकाश की आवृत्ति $(v)$ पर निर्भर करते हैं परंतु इसकी तीव्रता पर निर्भर नहीं करते। धातु के पृष्ठ से प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन एक इलेक्ट्रॉन के द्वारा फ़ोटॉन के अवशोषण से होता है।
7. आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत समीकरण ऊर्जा संरक्षण नियम के संगत है जैसा कि धातु में एक इलेक्ट्रॉन के द्वारा फ़ोटॉन अवशोषण में लागू होता है। उच्चतम गतिज ऊर्जा $\left(\frac{1}{2} m v _{\text {उच्चै }}^{2}\right)$ फ़ोटॉन-ऊर्जा $(h v)$ तथा लक्ष्य धातु कार्य-फलन $\phi _{0}\left(=h v _{0}\right)$ के अंतर के बराबर होती है।
$$ \frac{1}{2} m v _{\text {उच्च }}^{2}=V _{0} e=h v-\phi _{0}=h\left(v-v _{0}\right) $$
इस प्रकाश-विद्युत समीकरण से प्रकाश-विद्युत प्रभाव के सभी लक्षणों की व्याख्या होती है। मिलिकन के प्रथम परिशुद्ध प्रकाश-विद्युत मापनों ने आइंस्टाइन के प्रकाश-विद्युत समीकरण को संपुष्ट किया और प्लैंक-स्थिरांक $(h)$ के यथार्थ मान को प्राप्त किया। इससे आइंस्टाइन द्वारा प्रवर्तित वैद्युतचुंबकीय विकिरण का कण अथवा फ़ोटॉन वर्णन (प्रकृति) स्वीकृत हुआ।
8. विकिरण की द्वैत प्रकृति होती है : तरंग तथा कण। प्रयोग के स्वरूप पर यह निर्धारित होता है कि तरंग अथवा कण के रूप में वर्णन प्रयोग के परिणाम को समझने के लिए सर्वाधिक उपयुक्त है। इस तर्क के साथ कि विकिरण तथा पदार्थ प्रकृति में सममित हैं, लुइस दे ब्रॉग्ली के पदार्थ (पदार्थ कणों) को तरंग जैसा लक्षण प्रदान किया। गतिमान पदार्थ-कणों से जुड़ी तरंगों को पदार्थ तरंग अथवा दे ब्रॉग्ली तरंग कहते हैं।
9. गतिमान कण से संबंधित दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य $(\lambda)$ इसके संवेग $p$ से इस प्रकार संबंधित है : $\lambda=h / p$ । पदार्थ का द्वैत दे ब्रॉग्ली संबंध, जिसमें तरंग संकल्पना $(\lambda)$ और कण संकल्पना $(p)$ सम्मिलित हैं, में अंतर्निष्ठ है। दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य पदार्थ-कण के आवेश तथा इसकी प्रकृति से स्वतंत्र है। यह सार्थकताः केवल उप-परमाण्विक कणों, जैसे - इलेक्ट्रॉन, प्रोटॉन आदि (इनके द्रव्यमान अर्थात संवेग की लघुता के कारण) के लिए ही परिमेय (क्रिस्टलों में परमाण्वीय समतलों के बीच की दूरी की कोटि का) है। तथापि यह वास्तव में उन स्थूल वस्तुओं के लिए जो सामान्यतः प्रतिदिन जीवन में मिलती हैं और मापन की सीमा के बिलकुल बाहर है, बहुत छोटा है।
भौतिक राशि |
प्रतीक | विमाएँ | मात्रक | टिप्पणी |
---|---|---|---|---|
प्लांक स्थिरांक |
$h$ | $\left[\mathrm{ML}^{2} \mathrm{~T}^{-1}\right]$ | $\mathrm{J} \mathrm{s}$ | $E=h v$ |
निरोधक विभव |
$V _{0}$ | $\left[\mathrm{ML}^{2} \mathrm{~T}^{-3} \mathrm{~A}^{-1}\right]$ | V | $e V _{\text {o }}=K _{\text {उच्च }}$ |
कार्य- फलन |
$\phi _{0}$ | $\left[\mathrm{ML}^{2} \mathrm{~T}^{-2}\right]$ | $\mathrm{J} ; \mathrm{eV}$ | $K _{\text {उच्च }}=E-\phi _{0}$ |
देहली आवृत्ति |
$v _{0}$ | $\left[\mathrm{~T}^{-1}\right]$ | $\mathrm{Hz}$ | $v _{0}=\phi _{0} / h$ |
दे ब्रॉग्ली तंरगदैर्घ्य |
$\lambda$ | [L] | $\mathrm{m}$ | $\lambda=h / p$ |
विचारणीय विषय
1. किसी धातु में मुक्त इलेक्ट्रॉन इस अर्थ में मुक्त हैं कि वे धातु के भीतर एक स्थिर विभव के अंतर्गत गतिमान होते हैं (यह केवल एक सन्निकटन है)। वे धातु के बाहर निकलने के लिए मुक्त नहीं होते हैं। उन्हें धातु से बाहर जाने के लिए अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है।
2. किसी धातु में सभी मुक्त इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा समान नहीं होती। किसी गैस जार में अणुओं के जैसे, एक दिए गए ताप पर इलेक्ट्रॉनों का एक निश्चित ऊर्जा वितरण होता है। यह वितरण उस सामान्य मैक्सवेल वितरण से भिन्न होता है जिसे आप गैसों के गतिज सिद्धांत के अध्ययन में पढ़ चुके हैं। इसके विषय में आप बाद के पाठ्यक्रमों में जानेंगे, परंतु भिन्नता का संबंध इस तथ्य से है कि इलेक्ट्रॉन पॉली के अपवर्जन के सिद्धांत का अनुसरण करते हैं।
3. किसी धातु में मुक्त इलेक्ट्रॉनों के ऊर्जा वितरण के कारण, धातु से बाहर आने के लिए इलेक्ट्रॉन के द्वारा अपेक्षित ऊर्जा भिन्न इलेक्ट्रॉनों के लिए भिन्न होती है। उच्चतर ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों की धातु से बाहर आने के लिए कम ऊर्जा वाले इलेक्ट्रॉनों की तुलना में कम अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। कार्य-फलन धातु से बाहर निकलने के लिए किसी इलेक्ट्रॉन के द्वारा अपेक्षित न्यूनतम ऊर्जा है।
4. प्रकाश-विद्युत प्रभाव से संबंधित प्रयोगों में केवल यही अंतर्निहित है कि द्रव्य के साथ प्रकाश की अन्योन्य क्रिया में ऊर्जा का अवशोषण $h v$ की विविक्त इकाइयों में होता है। यह बिलकुल ही ऐसा कहने के समान नहीं है कि प्रकाश ऐसे कणों से बना है जिनमें प्रत्येक की ऊर्जा $h v$ है।
5. निरोधी विभव पर प्रेक्षण (इसकी तीव्रता पर अनिर्भरता और आवृत्ति पर निर्भरता) प्रकाश-विद्युत प्रभाव के तरंग-चित्रण और फ़ोटॉन-चित्रण के बीच निर्णायक विभेदकारक है।
6. सूत्र $\lambda=\frac{h}{p}$ के द्वारा दिया गया पदार्थ-तरंग का तरंगदैर्घ्य का भौतिकीय महत्त्व है, इसके कला-वेग $v _{p}$ का कोई भौतिकीय महत्त्व नहीं होता है। तथापि, पदार्थ-तरंग का समूह-वेग भौतिकतया अर्थपूर्ण है और कण के वेग के बराबर होता है।
अभ्यास
11.1 $30 \mathrm{kV}$ इलेक्ट्रॉनों के द्वारा उत्पन्न $\mathrm{X}$-किरणों की
(a) उच्चतम आवृत्ति तथा
(b) निम्नतम तरंगदैर्घ्य प्राप्त कीजिए।
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# Content Missing11.2 सीज़ियम धातु का कार्य-फलन $2.14 \mathrm{eV}$ है। जब $6 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ आवृत्ति का प्रकाश धातु-पृष्ठ पर आपतित होता है, इलेक्ट्रॉनों का प्रकाशिक उत्सर्जन होता है।
(a) उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा,
(b) निरोधी विभव, और
(c) उत्सर्जित प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम चाल कितनी है?
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# Content Missing11.3 एक विशिष्ट प्रयोग में प्रकाश-विद्युत प्रभाव की अंतक वोल्टता $1.5 \mathrm{~V}$ है। उत्सर्जित प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों की उच्चतम गतिज ऊर्जा कितनी है?
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# Content Missing11.4 $632 .8 \mathrm{~nm}$ तरंगदैर्घ्य का एकवर्णी प्रकाश एक हीलियम-नियॉन लेसर के द्वारा उत्पन्न किया जाता है। उत्सर्जित शक्ति $9.42 \mathrm{~mW}$ है।
(a) प्रकाश के किरण-पुंज में प्रत्येक फ़ोटॉन की ऊर्जा तथा संवेग प्राप्त कीजिए,
(b) इस किरण-पुंज के द्वारा विकिरित किसी लक्ष्य पर औसतन कितने फ़ोटॉन प्रति सेकंड पहुँचेंगे? (यह मान लीजिए कि किरण-पुंज की अनुप्रस्थ काट एकसमान है जो लक्ष्य के क्षेत्रफल से कम है), तथा
(c) एक हाइड्रोजन परमाणु को फ़ोटॉन के बराबर संवेग प्राप्त करने के लिए कितनी तेज़ चाल से चलना होगा?
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# Content Missing11.5 प्रकाश-विद्युत प्रभाव के एक प्रयोग में, प्रकाश आवृत्ति के विरुद्ध अंतक वोल्टता की ढलान $4.12 \times 10^{-15} \mathrm{~V} \mathrm{~s}$ प्राप्त होती है। प्लांक स्थिरांक का मान परिकलित कीजिए।
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# Content Missing11.6 किसी धातु की देहली आवृत्ति $3.3 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ है। यदि $8.2 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ आवृत्ति का प्रकाश धातु पर आपतित हो, तो प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन के लिए अंतक वोल्टता ज्ञात कीजिए।
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# Content Missing11.7 किसी धातु के लिए कार्य-फलन $4.2 \mathrm{eV}$ है। क्या यह धातु $330 \mathrm{~nm}$ तरंगदैर्घ्य के आपतित विकिरण के लिए प्रकाश-विद्युत उत्सर्जन देगा?
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# Content Missing11.8 $7.21 \times 10^{14} \mathrm{~Hz}$ आवृत्ति का प्रकाश एक धातु-पृष्ठ पर आपतित है। इस पृष्ठ से $6.0 \times 10^{5} \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ की उच्चतम गति से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित हो रहे हैं। इलेक्ट्रॉनों के प्रकाश उत्सर्जन के लिए देहली आवृत्ति क्या है?
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# Content Missing11.9 $488 \mathrm{~nm}$ तरंगदैर्घ्य का प्रकाश एक ऑर्गन लेसर से उत्पन्न किया जाता है, जिसे प्रकाश-विद्युत प्रभाव के उपयोग में लाया जाता है। जब इस स्पेक्ट्रमी-रेखा के प्रकाश को उत्सर्जक पर आपतित किया जाता है तब प्रकाशिक इलेक्ट्रॉनों का निरोधी (अंतक) विभव $0.38 \mathrm{~V}$ है। उत्सर्जक के पदार्थ का कार्य-फलन ज्ञात करें।
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# Content Missing11.10 (a) एक $0.040 \mathrm{~kg}$ द्रव्यमान का बुलेट जो $1.0 \mathrm{~km} / \mathrm{s}$ की चाल से चल रहा है, (b) एक $0.060 \mathrm{~kg}$ द्रव्यमान की गेंद जो $1.0 \mathrm{~km} / \mathrm{s}$ की चाल से चल रही है, और (c) एक धूल-कण जिसका द्रव्यमान $1.0 \times 10^{-9} \mathrm{~kg}$ और जो $2.2 \mathrm{~m} / \mathrm{s}$ की चाल से अनुगमित हो रहा है, का दे ब्रॉग्ली तरंगदैर्घ्य कितना होगा?
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# Content Missing11.11 यह दर्शाइए कि वैद्युतचुंबकीय विकिरण का तरंगदैर्घ्य इसके क्वांटम (फ़ोटॉन) के तरंगदैर्घ्य के बराबर है।