ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
 

นิยาม

ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก หมายถึง ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนในอะตอมของสสาร
ถูกปลดปล่อยออกมาเมื่อสสารดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นแสง) เช่น คลื่นอัลตราไวโอเลต
คลื่นรังสีเอกซ์ เป็นต้น อิเล็กตรอนที่หลุดออกมา เรียกว่า โฟโตอิเล็กตรอน
 
ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีคลื่นแสงที่มีความถี่สูงกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ
มาตกกระทบบนผิวโลหะ โดยที่โฟตอนจะถูกดูดซับเอาไว้ และอิเล็กตรอนจะถูกปลดปล่อยออก
มาซึ่งสังเกตได้จากการพบว่ามีกระแสไฟฟ้าเกิดขึ้น หากคลื่นที่มาตกกระทบมีความถี่ต่ำกว่า
ค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ว่าความเข้มของคลื่นแสงจะมีค่ามากเท่าใดก็ตาม จะไม่ทำให้
เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้ เพราะพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับไม่มากพอที่จะชนะพลังงานยึดเหนี่ยว
ภายในผลึกโลหะ (ฟังก์ชันงาน)

ประวัติอย่างย่อ

การทดลองของเลนาร์ด
ปี ค.ศ.1902 ฟิลิปป์ เลนาร์ด ศึกษาผลกระทบของความถี่คลื่นแสงต่อพลังงานจลน์ของโฟโตอิเล็กตรอน โดยโฟกัสลำของรังสีแคโทดลง
บนแผ่นโลหะบางภายในหลอดที่เกือบเป็นสุญญากาศเพื่อปลดปล่อยอิเล็กตรอนออกมา แผ่นโลหะบางนี้เรียกว่า แผ่นปลดปล่อย  
อิเล็กตรอนทั้งหมดที่เกิดขึ้นถูกรวบรวมไว้ที่แผ่นโลหะอีกแผ่นหนึ่งเรียกว่า แผ่นรวบรวม กระแสโฟโตอิเล็กทริกทั้งหมดวัดได้โดยใช้
แอมป์มิเตอร์ ในการทดลอง เขาไม่ได้วัดค่ากระแสโฟโตอิเล็กทริกโดยตรง แต่ใช้วิธีต่อความต่างศักย์ไฟฟ้าที่สามารถปรับค่าได้
ระหว่างแผ่นปลดปล่อยกับแผ่นรวบรวม หลังจากนั้น เขาใส่ความต่างศักย์ต่อต้านเข้าไปเพื่อให้แผ่นรวบรวมมีศักย์เป็นลบเมื่อเทียบกับ
แผ่นปลดปล่อย เขาเพิ่มค่าความต่างศักย์ต่อต้านจนกระทั่งพบว่ากระแสโฟโตอิเล็กทริกมีค่าเป็นศูนย์ แล้วบันทึกค่าความต่างศักย์
ต่อต้านสูงสุดที่อ่านได้ สำหรับปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ถูกปล่อยจากผิวโลหะถูกควบคุมโดยปริมาณความเข้มหรือความสว่างของ
คลื่นแสง

ผลลัพธ์ที่ได้จากการทดลอง
อิเล็กตรอนที่หลุดจากแผ่นปลดปล่อยจะมีพลังงานจลน์ค่าหนึ่ง เมื่อเคลื่อนที่ผ่านความต่างศักย์ต่อต้านจะมีอันตรกิริยากับความต่างศักย์
และสูญเสียพลังงานอย่างต่อเนื่อง จนกระทั่งเป็นศูนย์เมื่อความต่างศักย์ต่อต้านมีค่าสูงสุด ถ้าให้ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ต่อต้านเท่า
กับ V_o พลังงานสูงสุดที่อิเล็กตรอนสูญเสียจะเท่ากับ eV_o (ค่า e คือ ประจุของอิเล็กตรอน เท่ากับ 1.6021x10^-19 คูลอมบ์) ซึ่งเป็นค่า
พลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน (K.E._max) นั่นเอง จากการแปรค่าความถี่ของคลื่นแสงที่ตกกระทบ ฟิลิปป์ เลนาร์ด พบว่า
ค่าพลังงานจลน์สูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้นเมื่อความถี่ของคลื่นแสงสูงขึ้น นั่นหมายความว่า ความต่างศักย์ต่อต้านที่จะทำให้
กระแสโฟโตอิเล็กทริกเป็นศูนย์สำหรับคลื่นอัลตราไวโอเลต(ความถี่สูง) ย่อมมีค่า้สูงกว่าคลื่นแสงสีน้ำเงิน(ความถี่ต่ำ) ส่วนจากการแปร
ความเข้มของคลื่นแสง พบว่าเมื่อเพิ่มความเข้มของคลื่นแสงเป็นสองเท่า จำนวนอิเล็กตรอนที่หลุดจากผิวโลหะเพิ่มเป็นสองเท่าเช่นกัน

อย่างไรก็ตาม ผลการทดลองของเลนาร์ดเป็นแค่เชิงคุณภาพ ไม่ใช่เชิงปริมาณ เนื่องจากการทดลองแบบนี้ต้องใช้ความระมัดระวังสูง
เช่น แผ่นโลหะที่ใช้เมื่อตัดแล้วต้องรีบใช้ทันทีเพราะต้องมีความบริสุทธิ์สูง หากปล่อยทิ้งไว้แค่ไม่กี่นาที โลหะอาจถูกออกซิไดซ์ได้ง่าย
แม้ว่าอยู่ในหลอดที่เกือบเป็นสุญญากาศก็ตาม

ความจริงที่สำคัญยิ่ง คือ วันที่เลนาร์ดทำการทดลองเรื่องนี้ เขาไม่รู้จักโฟตอน !!!

คำอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกเชิงฟิสิกส์ดั้งเดิม
ดังที่กล่าวแล้วว่า ในขณะนั้นเลนาร์ดยังไม่รู้จักโฟตอน ดังนั้นคำอธิบายเกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้จึงอาศัยทฤษฎีทางฟิสิกส์ดั้งเดิม
กล่าวคือ อิเล็กตรอนที่ถูกปลดปล่อยจากผิวโลหะจะต้องค่อยๆสะสมพลังงานจากคลื่นแสงที่ตกกระทบ จนกระทั่งตัวมันเองมีพลังงานสูง
พอจนชนะพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึกโลหะ แล้วดีดตัวออกมา หากเป็นตามทฤษฎีนี้จริง แปลว่า คลื่นแสงที่มีความเข้มมากกว่า
(สว่างกว่า) ย่อมถ่ายเทพลังงานให้อิเล็กตรอนได้มากกว่า แต่จากผลการทดลองของเลนาร์ด พบว่าค่าพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนที่วัด
ได้จากค่าความต่างศักย์ต่อต้าน ไม่ขึ้นกับความเข้มของคลื่นแสงเลย !! ขึ้นกับความถี่เท่านั้น นอกจากนี้ ยังพบอีกว่าหากค่าของความถี่
ของคลื่นแสงน้อยกว่าค่าความถี่ขีดเริ่มของโลหะ ไม่ปรากฏว่ามีโฟโตอิเล็กตรอนเกิดขึ้น น่าประหลาดนะ

นี่ถือได้ว่า เป็นความล้มเหลวของฟิสิกส์เชิงคลาสสิก อย่างหนึ่ง

ไอน์สไตน์ - เสมียนจดสิทธิบัตรในกรุงเบิร์น อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ถูกต้องเป็นคนแรก
ปี ค.ศ.1905 หลังจากการทดลองของเลนาร์ด 3 ปี อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ซึ่งในขณะนั้นคุ้นเคยกับปัญหาเกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโต
อิเล็กทริกและการแผ่รังสีของวัตถุดำ ตลอดจนผลงานอื่นๆของพลังค์เป็นอย่างดี เป็นผู้อธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกได้ถูกต้อง
เป็นคนแรก ทำให้ในปี ค.ศ.1921 (16 ปีต่อมา) เขาได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานชิ้นนี้ !

เขาอธิบายว่า ก่อนสิ่งอื่นใด ต้องถือว่า คลื่นแสงประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคที่เรียกว่า "โฟตอน" จำนวนมากมาย แต่ละโฟตอนมีพลังงาน
ขนาดเท่ากับ  เมื่อคลื่นแสงตกกระทบผิวโลหะ (แผ่นปลดปล่อย) โฟตอนจะถ่ายเทพลังงานทั้งหมดให้ิือิเล็กตรอนทันที (ตามหลัก
"ทั้งหมด หรือ ศูนย์") หากพลังงานก้อนนี้น้อยกว่าพลังงานยึดเหนี่ยวภายในผลึก จะไม่เกิดโฟโตอิเล็กตรอน ถ้ามากกว่าพลังงานยึด
เหนี่ยวภายในผลึก อิเล็กตรอนจะรับพลังงานก้อนนี้ทั้งก้อน โดยจะใช้พลังงานส่วนหนึ่งเพื่อให้ตัวเองหลุดจากการถูกยึดเหนี่ยว
หลังจากนั้นจะค่อยๆสูญเสียพลังงานบางส่วนขณะเคลื่อนที่มายังพื้นผิวโลหะ เมื่อถึงพื้นผิวก็จะดีดตัวเองออกมาี่ด้วยความเร็วค่าหนึ่ง
อิเล็กตรอนที่มีความเร็วสูงสุดในขณะหลุดจะเป็นอิเล็กตรอนที่อยู่ใกล้พื้นผิว

สมการของไอน์สไตน์เกี่ยวกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เป็นดังนี้

      หรือ     

เมื่อ  คือ ความถี่ของโฟตอน,   คือ ความถี่ขีดเริ่ม,  h คือ ค่าคงที่ของพลังค์, K.E._max คือ พลังงานจลน์สุงสุดของโฟโตอิเล็กตรอน,
         คือ พลังงานควอนตัม,   คือ ฟังก์ชันงาน,  e คือ ประจุของอิเล็กตรอน,  V₀ = ค่าสูงสุดของความต่างศักย์ต่อต้าน

ข้อสังเกตุ :
โฟตอน 1 ตัวจะปลดปล่อยอิเล็กตรอนได้ 1 ตัวเท่านั้นเพราะพลังงานทั้งหมดของโฟตอนจะถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียว
พลังงานของโฟโตอิเล็กตรอนแปรผันตรงกับความถี่ของโฟตอน (รอเบิร์ต เอ มัลลิแกน เป็นคนพิสูจน์โดยการทดลองในปี ค.ศ.1915)