फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव: स्पष्टीकरण और अनुप्रयोग

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अर्थ है कि जब इलेक्ट्रॉनों को एक सामग्री से उत्सर्जित किया जाता है जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करता है। भौतिक विज्ञानी अल्बर्ट आइंस्टीन ने सबसे पहले प्रभाव का पूरी तरह से वर्णन किया, और अपने काम के लिए नोबेल पुरस्कार प्राप्त किया।

फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव क्या है?

वैज्ञानिक अमेरिकी के अनुसार, एक निश्चित बिंदु के ऊपर ऊर्जा के साथ प्रकाश का उपयोग इलेक्ट्रॉनों को ढीला करने के लिए किया जा सकता है, उन्हें एक ठोस धातु की सतह से मुक्त किया जा सकता है। प्रकाश का प्रत्येक कण, जिसे फोटॉन कहा जाता है, एक इलेक्ट्रॉन से टकराता है और अपनी कुछ ऊर्जा का उपयोग इलेक्ट्रॉन को विस्थापित करने के लिए करता है। शेष फोटॉन की ऊर्जा मुक्त ऋणात्मक आवेश में स्थानांतरित हो जाती है, जिसे एक फोटोइलेक्ट्रॉन कहा जाता है।

यह समझना कि यह कैसे काम करता है आधुनिक भौतिकी में क्रांति हुई। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के अनुप्रयोग हमें "इलेक्ट्रिक आई" दरवाजे खोलने वाले, फोटोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले प्रकाश मीटर, सौर पैनल और फोटोस्टेट नकल लाए।

खोज

आइंस्टीन से पहले, वैज्ञानिकों द्वारा प्रभाव देखा गया था, लेकिन वे व्यवहार से भ्रमित थे क्योंकि वे प्रकाश की प्रकृति को पूरी तरह से नहीं समझते थे। 1800 के दशक के उत्तरार्ध में, स्कॉटलैंड में भौतिक विज्ञानी जेम्स क्लर्क मैक्सवेल और नीदरलैंड में हेंड्रिक लॉरेंट्ज़ ने निर्धारित किया कि प्रकाश एक लहर के रूप में व्यवहार करता है। यह देखकर साबित हुआ कि प्रकाश तरंगें हस्तक्षेप, विवर्तन और प्रकीर्णन को कैसे प्रदर्शित करती हैं, जो सभी प्रकार की तरंगों (पानी में तरंगों सहित) के लिए सामान्य हैं।

तो 1905 में आइंस्टीन का तर्क है कि प्रकाश भी कणों के सेट के रूप में व्यवहार कर सकता है क्रांतिकारी था क्योंकि यह विद्युत चुम्बकीय विकिरण के शास्त्रीय सिद्धांत के साथ फिट नहीं था। अन्य वैज्ञानिकों ने उनके सामने सिद्धांत को पोस्ट किया था, लेकिन आइंस्टीन पहली बार पूरी तरह से इस बात पर विस्तृत थे कि घटना क्यों हुई - और निहितार्थ।

उदाहरण के लिए, जर्मनी के हेनरिक हर्ट्ज़ 1887 में फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव को देखने वाले पहले व्यक्ति थे। उन्होंने पाया कि अगर वह धातु के इलेक्ट्रोड पर पराबैंगनी प्रकाश को चमकता है, तो उन्होंने अंग्रेजी खगोलविदों के अनुसार, इलेक्ट्रोड के पीछे एक स्पार्क चाल बनाने के लिए आवश्यक वोल्टेज को कम कर दिया। डेविड डार्लिंग।

फिर 1899 में इंग्लैंड में जे.जे. थॉम्पसन ने प्रदर्शित किया कि धातु की सतह पर पराबैंगनी प्रकाश इलेक्ट्रॉनों की अस्वीकृति का कारण बना। फिलिप लेनार्ड (हर्ट्ज के पूर्व सहायक) द्वारा काम के साथ, 1902 में फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का एक मात्रात्मक माप आया था, यह स्पष्ट था कि प्रकाश में विद्युत गुण थे, लेकिन जो चल रहा था वह अस्पष्ट था।

आइंस्टीन के अनुसार, प्रकाश छोटे पैकेटों से बना होता है, पहले क्वांटा और बाद में फोटॉन। क्वांटा फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के तहत कैसे व्यवहार करता है, यह एक विचार प्रयोग के माध्यम से समझा जा सकता है। एक कुएं में संगमरमर के चक्कर की कल्पना करें, जो एक परमाणु के लिए एक बाध्य इलेक्ट्रॉन की तरह होगा। जब एक फोटॉन अंदर आता है, तो वह संगमरमर (या इलेक्ट्रॉन) से टकराता है, जिससे उसे कुएं से बचने के लिए पर्याप्त ऊर्जा मिलती है। यह हल्की हड़ताली धातु सतहों के व्यवहार की व्याख्या करता है।

जबकि स्विट्जरलैंड में एक युवा पेटेंट क्लर्क आइंस्टीन ने 1905 में इस घटना की व्याख्या की, उनके काम के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित होने में 16 और साल लग गए। यह अमेरिकी भौतिक विज्ञानी रॉबर्ट मिलिकन के काम के बाद न केवल सत्यापित किया गया, बल्कि आइंस्टीन के एक स्थिरांक और प्लांक के स्थिरांक के बीच संबंध भी पाया गया। उत्तरार्द्ध स्थिरांक बताता है कि परमाणु दुनिया में कण और तरंगें कैसे व्यवहार करती हैं।

1922 में आर्थर कॉम्पटन द्वारा फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर आगे के सैद्धांतिक अध्ययन किए गए (जिन्होंने दिखाया कि एक्स-रे को भी फोटॉन के रूप में माना जा सकता है और 1927 में नोबेल पुरस्कार अर्जित किया गया), साथ ही साथ 1931 में राल्फ हॉवर्ड ज्वेलर (जिन्होंने देखा) धातु के तापमान और फोटोइलेक्ट्रिक धाराओं के बीच संबंध।)

अनुप्रयोग

जबकि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का वर्णन अत्यधिक सैद्धांतिक लगता है, इसके काम के कई व्यावहारिक अनुप्रयोग हैं। ब्रिटानिका कुछ का वर्णन करती है:

फोटोइलेक्ट्रिक कोशिकाओं को मूल रूप से प्रकाश का पता लगाने के लिए इस्तेमाल किया गया था, जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों और एक एनोड को बाहर निकालने के लिए एक कैथोड युक्त एक वैक्यूम ट्यूब का उपयोग किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान को इकट्ठा किया जाता है। आज, ये "फोटोट्यूब" सेमीकंडक्टर-आधारित फोटोडायोड्स में उन्नत हुए हैं जो कि सौर कोशिकाओं और फाइबर ऑप्टिक्स दूरसंचार जैसे अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं।

Photomultiplier ट्यूब्स फोटोट्यूब की एक भिन्नता है, लेकिन उनके पास कई धातु प्लेटें हैं जिन्हें डायनोड्स कहा जाता है। इलेक्ट्रॉनों को प्रकाश के कैथोड पर प्रहार के बाद छोड़ा जाता है। इलेक्ट्रॉन फिर पहले डायनोड पर गिरते हैं, जो अधिक इलेक्ट्रॉनों को छोड़ते हैं जो दूसरे डायोड पर गिरते हैं, फिर तीसरे, चौथे और इसी तरह आगे बढ़ते हैं। प्रत्येक डायनोड वर्तमान को बढ़ाता है; लगभग 10 dynodes के बाद, वर्तमान फोटोमॉल्लिपिअर्स के लिए इतना मजबूत है कि एकल फोटॉनों का भी पता लगा सके। इसके उदाहरणों का उपयोग स्पेक्ट्रोस्कोपी में किया जाता है (जो स्टार की रासायनिक रचनाओं के बारे में अधिक जानने के लिए अलग-अलग तरंग दैर्ध्य में टूट जाता है, उदाहरण के लिए), और कम्प्यूटरीकृत अक्षीय टोमोग्राफी (कैट) स्कैन जो शरीर की जांच करते हैं।

फोटोडायोड और फोटोमल्टीप्लायर के अन्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं:

• इमेजिंग तकनीक, जिसमें (पुराने) टेलीविज़न कैमरा ट्यूब या इमेज इंटेन्सिफायर शामिल हैं;
• परमाणु प्रक्रियाओं का अध्ययन;
• रासायनिक रूप से उनके उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों पर आधारित सामग्री का विश्लेषण;
• विभिन्न ऊर्जा राज्यों के बीच परमाणुओं में इलेक्ट्रॉनों के संक्रमण के बारे में सैद्धांतिक जानकारी देना।

लेकिन शायद फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का सबसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोग क्वांटम क्रांति की स्थापना कर रहा था, के अनुसार

अमेरिकी वैज्ञानिक। इसने प्रकाश की प्रकृति और परमाणुओं की संरचना के बारे में पूरी तरह से नए तरीके से सोचने के लिए भौतिकविदों का नेतृत्व किया।