ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก
รางวัลโนเบลของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์
อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ เป็นอัจฉริยะผู้คิดค้นทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษและทั่วไป แนวคิดของทฤษฎีนี้เปลี่ยนแปลงมุมมองเกี่ยวกับที่ว่างและเวลาที่นิวตันสร้างไว้ไปจนแทบไม่เหลือเค้าเดิม
ส่วนผลลัพธ์จากทฤษฎีนี้ก็ยิ่งใหญ่ ดังที่เราเห็นจากการสร้างระเบิดปรมาณู ใช้อธิบายการเกิดพลังงานของดาวฤกษ์ ฯลฯ
แต่เขากลับไม่ได้รับรางวัลโนเบลอันทรงเกียรติจากทฤษฎีนี้
สาเหตุยังเป็นสิ่งที่ยังมีการพูดคุยถกเถียงกันจนถึงปัจจุบัน
บ้างก็ให้เหตุผลว่าคณะกรรมการรอให้มีการตรวจสอบยืนยันทฤษฎีให้มากกว่านี้ก่อน ส่วนเหตุผลแท้จริงเป็นอย่างไรไม่มีใครรู้
อย่างไรก็ตาม ในปี ค.ศ. 1921 ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์จากการค้นพบคำอธิบายปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกส์ (photoelectric effect) บทความนี้จะอธิบายให้ฟังว่าปรากฏการณ์นี้คืออะไร และทำไมการอธิบายปรากฏการณ์นี้จึงสำคัญมากพอจะทำให้ไอน์สไตน์ได้รางวัลโนเบล
แสงคือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ตาของเรามองเห็น แต่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไม่ได้มีแค่แสง แสงจะประกอบไปด้วยสี ม่วง คราม น้ำเงิน เขียว เหลือง ส้ม แดง
แต่ใต้สีแดงยังมี รังสีอินฟราเรด คลื่นไมโครเวฟ คลื่นวิทยุ ซึ่งทั้งหมดนี้มีความยาวคลื่นมากกว่าความยาวคลื่นแสง
และเหนือสีม่วงขึ้นไปยังมี รังสีอัลตราไวโอเล็ต รังสีเอกซ์ รังสีแกมมา ซึ่งทั้งหมดนี้ความยาวคลื่นสั้นกว่าความยาวคลื่นแสง
ดวงตามนุษย์เรามองเห็นได้เพียงแสง ซึ่งเป็นช่วงคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแคบๆ โดยไม่สามารถมองเห็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าใต้สีแดงลงไป และเหนือสีม่วงขึ้นมาได้
แต่เราสามารถสร้างอุปกรณ์สำหรับตรวจจับคลื่นเหล่านี้และสร้าวอุปกรณ์ที่ปล่อยคลื่นเหล่านี้ขึ้นมาใช้ประโยชน์ได้
ทฤษฎีที่ใช้อธิบายธรรมชาติของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งหมดเรียกว่า สมการของแมกซ์เวลล์ (Maxwell's Equations) ซึ่งเป็นหนึ่งในชุดสมการที่สำคัญที่สุดในโลกฟิสิกส์แบบคลาสสิก
ทว่านักฟิสิกส์กลับพบการทดลองที่ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบฉบับของแมกซ์เวลล์อธิบายไม่ได้
การทดลองที่ว่าคือ การฉายแสง ลงบนโลหะ แล้วค่อยๆปรับความถี่ของแสงให้เพิ่มสูงขึ้นจนถึงจุดหนึ่งจะทำให้อิเล็กตรอนจากผิวโลหะนั้นหลุดออกมาได้ ซึ่งอิเล็กตรอนเหล่านั้นนั้นถูกตรวจวัดได้ในรูปของกระแสไฟฟ้า
ความถี่น้อยสุดที่ทำให้อิเล็กตรอนเริ่มหลุดออกมานี้ เรียกว่า ความถี่ขีดเริ่ม (Threshold Frequency) แต่การเพิ่มความเข้มแสงไม่ว่าจะมากแค่ไหน กลับไม่ทำให้อิเล็กตรอนของโลหะหลุดออกมา (ถ้าความถี่ของแสงยังไม่มากจนถึงความถี่ขีดเริ่ม)
ยกตัวอย่างเช่น
- สีแดง นั้นไม่ทำให้อิเล็กตรอนของโลหะหลุดออกมา ไม่ว่าจะฉายแสงสีแดงแบบเข้มมาก หรือแสงสีแดงแบบอ่อนๆ
- เมื่อปรับความถี่แสงให้เพิ่มจนได้แสงสีเขียว พบว่าเมื่อฉายไปยังโลหะจะทำให้อิเล็กตรอนโลหะหลุดออกมา แม้ว่าแสงสีเขียวจะสลัวๆก็ตาม
- เมื่อเพิ่มความถี่แสงจนได้สีน้ำเงิน อิเล็กตรอนก็หลุดออกมาเช่นกัน แต่พวกมันจะมีพลังงานมากกว่าอิเล็กตรอนที่หลุดออกมาด้วยแสงสีเขียว
ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) ซึ่ง photo แปลว่าแสง ส่วน electric หมายถึงไฟฟ้า รวมกันจึงได้ความหมายว่ากระแสไฟฟ้าที่เกิดจากแสงนั่นเอง ส่วนค่าความถี่ขีดเริ่มนั้นแตกต่างกันไปตามชนิดของโลหะ
ปัญหาคือ ทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกไม่สามารถอธิบายปรากฏการณ์นี้ได้ การเพิ่มความเข้มของแสงจะทำให้พื้นที่ที่แสงที่ตกกระทบได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น ในเมื่อพื้นที่รับแสงได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนก็ควรได้รับพลังงานเพิ่มขึ้นจนหลุดออกมา แต่ในทางปฏิบัติอิเล็กตรอนกลับไม่หลุดออกมา!
ถ้ายังไม่เข้าใจ ลองจินตนาการถึงไฟฉายที่ถ่านอ่อน ย่อมให้ไฟสลัวจนเราใช้ส่องอะไรแทบไม่เห็น
เมื่อเปลี่ยนเป็นถ่านใหม่ แสงที่ได้ย่อมเข้มจนเมื่อส่องไปตกกระทบสิ่งใด เราย่อมมองเห็นสิ่งนั้นได้ชัดเจน
ฟิสิกส์แบบฉบับมองว่าคลื่นแสงความเข้มสูงควรทำให้โลหะที่ตกกระทบได้รับพลังงานมาก จนอิเล็กตรอนหลุดออกมา
ผู้อธิบายปรากฏการณ์นี้ได้คนแรกคือ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ คำอธิบายของเขาคือ แสงมีลักษณะเป็นก้อนพลังงาน ไม่ต่างอะไรจาก ลูกกระสุนปืนกลที่ถูกยิงออกมารัวๆ
พลังงานแสงแต่ละก้อน เรียกว่า โฟตอน (photon) มีพลังงานขึ้นตรงกับความถี่ (ตามสูตรของมักซ์ พลังค์) นั่นหมายความว่า ถ้าความถี่แสงต่ำ โฟตอนแต่ละก้อนย่อมมีพลังงานน้อยจนไม่สามารถชนให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้ แต่เมื่อความถี่สูงจนถึงความถี่ขีดเริ่ม โฟตอนแต่ละตัวย่อมมีพลังงานมากพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนหลุดออกมาได้
คำอธิบายของไอน์สไตน์นั้นแม้จะฟังดูเรียบง่าย จนทุกวันนี้น้องๆมัธยมปลายสายวิทย์เรียนเรื่องนี้กันทุกคน
แต่การจินตนาการว่าแสง มีลักษณะเป็นก้อนนั้นนับเป็นเรื่องที่แปลกใหม่มากในยุคนั้น เพราะทฤษฎีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแบบคลาสสิกมองว่าแสงเป็นคลื่น
การมองว่า ‘ก้อน’ แสงชนกับอิเล็กตรอนจึงนับว่าแหวกแนว แต่นั่นเป็นสิ่งที่สนับสนุนแนวคิดเรื่องพลังงานไม่ต่อเนื่องของมักซ์ พลังค์ และกลายเป็นจุดเริ่มต้นของทฤษฎีควอนตัม
แล้วจริงๆแสงคืออะไรกันแน่?
คำถามนี้จะตอบได้ต้องรออ่านตอนต่อๆไป ช่วงที่คำอธิบายเกี่ยวกับทฤษฎีควอนตัมได้รับการสร้างขึ้น
ส่วนตอนนี้ขอปิดท้ายด้วยการประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก นั่นคือ ฉากรับแสงในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ต่างๆ ตั้งแต่ในกล้องดิจิตัลหลายๆรุ่น จนถึง กล้องตรวจจับรังสีอินฟราเรดที่ใช้มองตอนกลางคืน อาศัยหลักการที่โฟตอนมาตกกระทบฉากแล้วอิเล็กตรอนหลุดออกมาทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าอ่อนๆขึ้นด้วยปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก จากนั้นวงจรอิเล็กทรอนิกส์จะขยายสัญญาณกระแสไฟฟ้านั้นแล้วแปลงออกมาเป็นภาพให้เรามองเห็นได้
แน่นอนว่าคุณลักษณะของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้นมีความสัมพันธ์กับความถี่และความเข้มแสงที่มาตกกระทบ ซึ่งฉากรับแสงในอุปกรณ์แต่ละประเภทแตกต่างกันไปในรายละเอียด แต่ทั้งหมดล้วนใช้ ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในการอธิบายและใช้ในการออกแบบให้เหมาะสมกับการใช้งาน
จะเห็นได้ว่าผลงานของไอน์สไตน์นั้นยิ่งใหญ่และแฝงตัวอยู่ในอุปกรณ์มากมายที่เราใช้งานอยู่ในชีวิตประจำวัน
ครั้งหน้าๆผมจะเล่าการค้นพบเรื่องสุดท้ายที่ทำให้เกิดทฤษฎีควอนตัมขึ้น นั่นคือ การศึกษาสเปกตรัมของธาตุไฮโดรเจนครับ
- 45
โฆษณา
- ดาวน์โหลดแอปพลิเคชัน
- © 2024 Blockdit
