โฟโตอิเล็กทริก

ปรากฎการณ์โฟโตอิเลกทริก (photoelectric effect) เป็นหนึ่งในการทดลองที่สนับสนุนสมมติฐานของพลังค์เกี่ยวกับโฟตอน เกิดจากการที่แสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงตกกระทบเป้าโลหะแล้วทำให้มีอิเล็กตรอนหลุดออกมาจากเป้าโลหะ เรียกว่าโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectron)

สิ่งที่ทำให้แนวคิดทางฟิสิกส์แบบฉบับ (classical physics) ไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์ดังกล่าวได้คือ แสงที่ความถี่ต่ำแต่ความเข้มสูงซึ่งควรจะมีพลังงานมากพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากโลหะไม่สามารถที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้ แต่แสงที่มีความถี่สูงแม้จะมีความเข้มต่ำก็ยังสามารถทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้ อย่างไรก็ตาม อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ (Albert Einstein) ได้เชื่อมโยงแนวความคิดเกี่ยวกับโฟตอนตามสมมติฐานของพลังค์ว่าในขณะที่แสงหรือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าตกกระทบเป้าโลหะนั้น โฟตอน 1 หน่วย จะเข้าถ่ายทอดพลังงานแก่อิเล็กตรอนแบบ “ตัวต่อตัว” ซึ่งถ้าความถี่ของโฟตอนไม่มากพอ พลังงานของโฟตอนก็จะไม่มากพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาจากโลหะได้ นั่นทำให้จำนวนโฟตอนและความเข้มแสงไม่มีผลต่อการเกิดโฟโตอิเลกทริกแต่มีผลเพียงแค่ทำให้อิเล็กตรอนที่หลุดออกมามีปริมาณมากขึ้นถ้าหากความถี่มีค่ามากพอ

การถ่ายทอดพลังงาน  ของโฟตอนสู่อิเล็กตรอน เป็นไปตามหลักการอนุรักษ์พลังงานดังสมการ

กล่าวคือพลังงานโฟตอนส่วนหนึ่งจะถูกถ่ายทอดไปให้กับอะตอมของวัสดุโลหะเพื่อเอาชนะแรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสกับอิเล็กตรอน ค่าพลังงานที่ต้องใช้ในการทำให้โฟโต้อิเล็กตรอน 1 ตัว หลุดออกจากเป้าโลหะมีชื่อเรียกว่า ฟังก์ชั่นงาน (work function; W) และพลังงานโฟตอนในส่วนที่เหลือจะถูกถ่ายทอดให้อิเล็กตรอน ถ้าไม่มีการสูญเสียพลังงานเลย พลังงานจลน์ของโฟโต้อิเล็กตรอนจะมีค่าสูงสุดคือ  

ในการวัดค่าพลังงานจลน์สูงสุดของอิเล็กตรอน   สามารถทำได้โดยการใช้ศักย์หยุดยั้ง (stopping voltage) จากการต่อเป้าโลหะเข้ากับขั้วแอโนด (ขั้วบวก) ของแหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรงที่สามารถปรับค่าได้ ศักย์ไฟฟ้าบวกจะทำการดึงดูดอิเล็กตรอนไม่ให้หลุดออกจากขั้ว ซึ่งพลังงานศักย์ที่ใช้ในการหยุดยั้งไม่ให้อิเล็กตรอนที่มีพลังงานจลน์มากที่สุดหลุดออกจากเป้าโลหะก็จะมีค่าเท่ากับ  นั่นเอง ดังนั้น สมการ (1) จึงสามารถเขียนใหม่ในรูปของศักย์หยุดยั้ง  คือ

เทอม   เรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม (threshold frequency) ซึ่งเป็นความถี่โฟตอนที่มีค่าน้อยที่สุดที่สามารถทำให้เกิดโฟโตอิเล็กตรอนได้ และเมื่อทำการทดลองโดยแปรค่าความถี่  โดยที่ในแต่ละค่าความถี่จะทำการปรับค่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าจากแหล่งกำเนิดจนได้ค่าความต่างศักย์  ที่ทำให้กระแสไฟฟ้าจากโฟโต้อิเล็กตรอนมีค่าเป็นศูนย์พอดี ซึ่งค่าศักย์หยุดยั้ง  มีค่าแปรผันตรงกับความถี่