मुक्त होने वाले इलेक्ट्रॉनों को फोटोइलेक्ट्रॉन कहा जाता है। प्रकाश-विद्युत प्रभाव के दौरान उत्पन्न होने वाली धारा को प्रकाश धारा कहते हैं। इस घटना के दौरान, प्रकाश ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इस घटना से आधुनिक भौतिकी में क्रांति आ गई। यह प्रभाव सौर पैनलों, फोटोग्राफी में उपयोग किए जाने वाले प्रकाश मीटर, इलेक्ट्रिक आई डोर ओपनर्स और बहुत कुछ में लागू होता है।
प्रकाश विद्युत प्रभाव की खोज किसने की?
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की घटना की खोज हेनरिक हर्ट्ज़ ने वर्ष 1887 में की थी। उन्होंने देखा कि जब कैथोड को पराबैंगनी प्रकाश से रोशन किया जाता था, तो कैथोड किरण ट्यूब में विद्युत आवेश का निर्वहन होता था। उन्होंने इस घटना की ज्यादा विस्तार से जांच नहीं की। वर्ष 1888 में, हॉलवाच ने हर्ट्ज़ की खोज का अनुसरण किया। उन्होंने पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आने वाले लीफ इलेक्ट्रोस्कोप का अवलोकन किया। प्रकाश-विद्युत प्रभाव पर कार्य बाद में जे. जे. थॉम्पसन द्वारा किया गया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि जब किसी धातु की सतह पर पराबैंगनी प्रकाश पड़ता है तो इससे इलेक्ट्रॉनों का निष्कासन होता है। वे पता लगा सकते थे कि प्रकाश में विद्युत गुण थे, लेकिन वास्तव में क्या चल रहा था यह स्पष्ट नहीं था।
आइंस्टीन ने वर्ष 1905 में इस घटना की व्याख्या की। आइंस्टीन के अनुसार, प्रकाश छोटे पैकेटों से बना होता है, जिसे पहले क्वांटा और बाद में फोटॉन कहा जाता है। जब एक फोटॉन इलेक्ट्रॉनों से टकराता है तो यह इलेक्ट्रॉनों को धातु की सतह से बचने के लिए पर्याप्त ऊर्जा देता है। यह प्रकाश के धातु से टकराने के व्यवहार की व्याख्या करता है।
इतिहास(History)
19 वीं सदी
1839 में, एलेक्जेंडर एडमंड बेकरेल ने इलेक्ट्रोलाइटिक कोशिकाओं पर प्रकाश के प्रभाव का अध्ययन करते हुए फोटोवोल्टिक प्रभाव की खोज की। हालांकि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के बराबर नहीं, फोटोवोल्टिक पर उनका काम सामग्री के प्रकाश और इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बीच एक मजबूत संबंध दिखाने में सहायक था। 1873 में, विलोबी स्मिथ ने पनडुब्बी टेलीग्राफ केबल से जुड़े अपने काम के संयोजन के साथ अपने उच्च प्रतिरोध गुणों के लिए धातु का परीक्षण करते समय सेलेनियम में फोटोकॉन्डक्टिविटी की खोज की
हीडलबर्ग के छात्र जोहान एल्स्टर (1854-1920) और हंस गीतेल (1855-1923) ने विद्युतीकृत पिंडों पर प्रकाश द्वारा उत्पन्न प्रभावों की जांच की और पहला व्यावहारिक फोटोइलेक्ट्रिक सेल विकसित किया, जिसका उपयोग प्रकाश की तीव्रता को मापने के लिए किया जा सकता है। उन्होंने नकारात्मक बिजली के निर्वहन की अपनी शक्ति के संबंध में धातुओं की व्यवस्था की: रूबिडियम, पोटेशियम, पोटेशियम और सोडियम के मिश्र धातु, सोडियम, लिथियम, मैग्नीशियम, थैलियम और जस्ता; तांबा, प्लेटिनम, सीसा, लोहा, कैडमियम, कार्बन और पारा के लिए साधारण प्रकाश के प्रभाव इतने छोटे थे कि उनका मापन नहीं किया जा सकता। इस आशय के लिए धातुओं का क्रम संपर्क-विद्युत के लिए वोल्टा की श्रृंखला के समान था, सबसे अधिक इलेक्ट्रोपोसिटिव धातुएं जो सबसे बड़ा फोटो-इलेक्ट्रिक प्रभाव देती हैं।
1887 में, हेनरिक हर्ट्ज़ ने प्रकाश-विद्युत प्रभाव का अवलोकन किया और विद्युत चुम्बकीय तरंगों के उत्पादन और ग्रहण पर रिपोर्ट दी। उनके उपकरण में रिसीवर में एक स्पार्क गैप के साथ एक कॉइल होता है, जहां विद्युत चुम्बकीय तरंगों का पता लगाने पर एक चिंगारी दिखाई देती है। उन्होंने चिंगारी को बेहतर ढंग से देखने के लिए उपकरण को एक अंधेरे बॉक्स में रखा। हालांकि, उन्होंने देखा कि बॉक्स के अंदर चिंगारी की अधिकतम लंबाई कम हो गई थी। विद्युत चुम्बकीय तरंगों के स्रोत और रिसीवर के बीच रखा गया एक ग्लास पैनल पराबैंगनी विकिरण को अवशोषित करता है जो इलेक्ट्रॉनों को अंतराल में कूदने में सहायता करता है। हटा दिए जाने पर, चिंगारी की लंबाई बढ़ जाएगी। जब उन्होंने कांच को क्वार्ट्ज से बदल दिया, तो उन्होंने चिंगारी की लंबाई में कोई कमी नहीं देखी, क्योंकि क्वार्ट्ज यूवी विकिरण को अवशोषित नहीं करता है।
हर्ट्ज़ की खोजों ने हॉलवाच, हूर, रिघी और स्टोलेटोव द्वारा प्रकाश और विशेष रूप से पराबैंगनी प्रकाश के प्रभाव पर जांच की एक श्रृंखला का नेतृत्व किया। निकायों। हलवाच ने एक जस्ता प्लेट को एक इलेक्ट्रोस्कोप से जोड़ा। उन्होंने एक ताजा साफ जस्ता प्लेट पर पराबैंगनी प्रकाश गिरने की अनुमति दी और देखा कि जस्ता प्लेट अपरिवर्तित हो जाती है यदि शुरू में नकारात्मक रूप से चार्ज किया जाता है, यदि शुरू में चार्ज नहीं किया जाता है तो सकारात्मक चार्ज किया जाता है, और शुरू में सकारात्मक चार्ज होने पर अधिक सकारात्मक चार्ज किया जाता है। इन अवलोकनों से उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि पराबैंगनी प्रकाश के संपर्क में आने पर जिंक प्लेट द्वारा कुछ ऋणात्मक आवेशित कण उत्सर्जित होते हैं।
हर्ट्ज़ प्रभाव के संबंध में, शुरुआत से शोधकर्ताओं ने फोटोइलेक्ट्रिक थकान की घटना की जटिलता को दिखाया-ताजा धातु सतहों पर देखे गए प्रभाव की प्रगतिशील कमी। हॉलवाच के अनुसार, ओजोन ने घटना में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाई, और उत्सर्जन ऑक्सीकरण, आर्द्रता और सतह की पॉलिशिंग की डिग्री से प्रभावित था। उस समय यह स्पष्ट नहीं था कि निर्वात में थकान अनुपस्थित है या नहीं।
1888 से 1891 तक की अवधि में, प्रकाश प्रभाव का एक विस्तृत विश्लेषण अलेक्सांद्र स्टोलेटोव द्वारा छह प्रकाशनों में रिपोर्ट किए गए परिणामों के साथ किया गया था। स्टोलेटोव ने एक नए प्रयोगात्मक सेटअप का आविष्कार किया जो फोटोइफेक्ट के मात्रात्मक विश्लेषण के लिए अधिक उपयुक्त था। उन्होंने प्रकाश की तीव्रता और प्रेरित फोटोइलेक्ट्रिक करंट (फोटोइफेक्ट या स्टोलेटोव के नियम का पहला नियम) के बीच एक प्रत्यक्ष आनुपातिकता की खोज की। उन्होंने गैस के दबाव पर फोटो विद्युत प्रवाह की तीव्रता की निर्भरता को मापा, जहां उन्होंने अधिकतम फोटोक्रेक्ट के अनुरूप इष्टतम गैस दबाव का अस्तित्व पाया; इस संपत्ति का उपयोग सौर कोशिकाओं के निर्माण के लिए किया गया था।
धातुओं के अलावा कई पदार्थ पराबैंगनी प्रकाश की क्रिया के तहत नकारात्मक बिजली का निर्वहन करते हैं। G. C. Schmidt और O. Knoblauch ने इन पदार्थों की एक सूची तैयार की।
1899 में, जे. जे. थॉमसन ने क्रुक्स ट्यूबों में पराबैंगनी प्रकाश की जांच की। थॉमसन ने निष्कर्ष निकाला कि निकाले गए कण, जिन्हें उन्होंने कॉर्पसकल कहा, कैथोड किरणों के समान प्रकृति के थे। इन कणों को बाद में इलेक्ट्रॉन के रूप में जाना जाने लगा। थॉमसन ने एक धातु की प्लेट (एक कैथोड) को एक वैक्यूम ट्यूब में बंद कर दिया, और इसे उच्च आवृत्ति वाले विकिरण के संपर्क में लाया। यह सोचा गया था कि दोलन विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों ने परमाणुओं के क्षेत्र को प्रतिध्वनित किया और, एक निश्चित आयाम तक पहुंचने के बाद, उप-परमाणु कणिकाओं को उत्सर्जित किया, और वर्तमान का पता लगाया। इस धारा की मात्रा विकिरण की तीव्रता और रंग के साथ बदलती रहती है। अधिक विकिरण तीव्रता या आवृत्ति अधिक धारा उत्पन्न करेगी। [उद्धरण वांछित]
1886-1902 के वर्षों के दौरान, विल्हेम हॉलवाच और फिलिप लेनार्ड ने फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जन की घटना की विस्तार से जांच की। लेनार्ड ने देखा कि जब दो इलेक्ट्रोडों में से एक पर पराबैंगनी विकिरण गिरती है, तो एक खाली कांच की नली से करंट प्रवाहित होता है। जैसे ही पराबैंगनी विकिरण बंद हो जाता है, करंट भी रुक जाता है। इसने फोटोइलेक्ट्रिक उत्सर्जन की अवधारणा की शुरुआत की। पराबैंगनी प्रकाश द्वारा गैसों के आयनीकरण की खोज 1900 में फिलिप लेनार्ड द्वारा की गई थी। चूंकि प्रभाव कई सेंटीमीटर हवा में उत्पन्न हुआ था और नकारात्मक की तुलना में अधिक संख्या में सकारात्मक आयनों का उत्पादन हुआ था, इस घटना की व्याख्या करना स्वाभाविक था, जे जे थॉमसन के रूप में गैस में मौजूद कणों पर हर्ट्ज़ प्रभाव के रूप में किया
20 वीं सदी
1902 में, लेनार्ड ने देखा कि व्यक्तिगत उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा प्रकाश की आवृत्ति (जो रंग से संबंधित है) के साथ बढ़ती है। यह मैक्सवेल के प्रकाश के तरंग सिद्धांत के विपरीत प्रतीत होता है, जिसने भविष्यवाणी की थी कि इलेक्ट्रॉन ऊर्जा विकिरण की तीव्रता के समानुपाती होगी।
लेनार्ड ने एक शक्तिशाली इलेक्ट्रिक आर्क लैंप का उपयोग करके प्रकाश आवृत्ति के साथ इलेक्ट्रॉन ऊर्जा में भिन्नता देखी, जिससे उन्हें तीव्रता में बड़े बदलावों की जांच करने में मदद मिली, और उनके पास प्रकाश आवृत्ति के साथ इलेक्ट्रोड की क्षमता की भिन्नता की जांच करने में सक्षम होने के लिए पर्याप्त शक्ति थी। उन्होंने इलेक्ट्रॉन ऊर्जा को एक फोटोट्यूब में अधिकतम रोक क्षमता (वोल्टेज) से जोड़कर पाया। उन्होंने पाया कि अधिकतम इलेक्ट्रॉन गतिज ऊर्जा प्रकाश की आवृत्ति से निर्धारित होती है। उदाहरण के लिए, आवृत्ति में वृद्धि से मुक्ति पर एक इलेक्ट्रॉन के लिए गणना की गई अधिकतम गतिज ऊर्जा में वृद्धि होती है – पराबैंगनी विकिरण को नीली रोशनी की तुलना में एक फोटोट्यूब में करंट को रोकने के लिए एक उच्च लागू रोक क्षमता की आवश्यकता होगी। हालांकि, प्रयोगों को करने में कठिनाई के कारण लेनार्ड के परिणाम मात्रात्मक के बजाय गुणात्मक थे: ताजा कट धातु पर किए जाने वाले प्रयोग आवश्यक थे ताकि शुद्ध धातु देखी जा सके, लेकिन आंशिक वैक्यूम में भी यह कुछ ही मिनटों में ऑक्सीकृत हो गया। उपयोग किया गया। सतह द्वारा उत्सर्जित धारा प्रकाश की तीव्रता या चमक से निर्धारित होती है: प्रकाश की तीव्रता को दोगुना करने से सतह से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की संख्या दोगुनी हो जाती है।
लैंगविन और यूजीन बलोच के शोधों से पता चला है कि लेनार्ड प्रभाव का बड़ा हिस्सा निश्चित रूप से हर्ट्ज़ प्रभाव के कारण है। गैस पर लेनार्ड का प्रभाव [स्पष्टीकरण की आवश्यकता] फिर भी मौजूद है। जे. जे. थॉमसन द्वारा प्रतिपादित और फिर फ्रेडरिक पामर, जूनियर द्वारा अधिक निर्णायक रूप से गैस प्रकाश उत्सर्जन का अध्ययन किया गया था और पहले लेनार्ड द्वारा इसके लिए जिम्मेदार लोगों की तुलना में बहुत अलग विशेषताओं को दिखाया गया था
1900 में, ब्लैक-बॉडी रेडिएशन का अध्ययन करते हुए, जर्मन भौतिक विज्ञानी मैक्स प्लैंक ने अपने “ऑन द लॉ ऑफ़ डिस्ट्रीब्यूशन ऑफ़ एनर्जी इन द नॉर्मल स्पेक्ट्रम” पेपर में सुझाव दिया कि विद्युत चुम्बकीय तरंगों द्वारा ले जाने वाली ऊर्जा केवल ऊर्जा के पैकेट में जारी की जा सकती है। . 1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने इस परिकल्पना को आगे बढ़ाते हुए एक पेपर प्रकाशित किया कि प्रकाश ऊर्जा को फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव से प्रयोगात्मक डेटा की व्याख्या करने के लिए असतत मात्रात्मक पैकेट में ले जाया जाता है। आइंस्टीन ने सिद्धांत दिया कि प्रकाश की प्रत्येक मात्रा में ऊर्जा एक स्थिर से गुणा प्रकाश की आवृत्ति के बराबर होती है, जिसे बाद में प्लैंक स्थिरांक कहा जाता है। थ्रेशोल्ड फ़्रीक्वेंसी के ऊपर एक फोटॉन में एकल इलेक्ट्रॉन को बाहर निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा होती है, जिससे प्रेक्षित प्रभाव पैदा होता है। क्वांटम यांत्रिकी के विकास में यह एक महत्वपूर्ण कदम था। 1914 में, मिलिकन के प्रयोग ने आइंस्टीन के फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के मॉडल का समर्थन किया। आइंस्टीन को “फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कानून की उनकी खोज” के लिए 1921 में भौतिकी में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था, और रॉबर्ट मिलिकन को 1923 में “बिजली के प्राथमिक प्रभार और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव पर उनके काम के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।” विद्युतचुंबकीय विकिरण द्वारा क्रियान्वित परमाणुओं और ठोस पदार्थों के क्वांटम गड़बड़ी सिद्धांत में, फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अभी भी तरंगों के संदर्भ में विश्लेषण किया जाता है; दो दृष्टिकोण समान हैं क्योंकि फोटॉन या तरंग अवशोषण केवल मात्रात्मक ऊर्जा स्तरों के बीच हो सकता है जिसका ऊर्जा अंतर फोटॉन की ऊर्जा का है।
प्रकाश के क्वांटा के अवशोषण के कारण फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव कैसे हुआ, इसका अल्बर्ट आइंस्टीन का गणितीय विवरण उनके एनस मिराबिलिस पेपर में था, जिसका नाम “ऑन ए ह्यूरिस्टिक व्यूपॉइंट कंसर्निंग द प्रोडक्शन एंड ट्रांसफॉर्मेशन ऑफ लाइट” था। कागज ने प्रकाश क्वांटा, या फोटॉन का एक सरल विवरण प्रस्तावित किया, और दिखाया कि उन्होंने इस तरह की घटनाओं को फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के रूप में कैसे समझाया। प्रकाश के असतत क्वांटा के अवशोषण के संदर्भ में उनकी सरल व्याख्या प्रयोगात्मक परिणामों से सहमत थी। इसने समझाया कि क्यों फोटोइलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा केवल आपतित प्रकाश की आवृत्ति पर निर्भर करती है न कि इसकी तीव्रता पर: कम-तीव्रता पर, उच्च-आवृत्ति स्रोत कुछ उच्च ऊर्जा फोटॉन की आपूर्ति कर सकता है, जबकि उच्च-तीव्रता पर, निम्न- आवृत्ति स्रोत किसी भी इलेक्ट्रॉनों को हटाने के लिए पर्याप्त व्यक्तिगत ऊर्जा के फोटॉन की आपूर्ति नहीं करेगा। यह एक विशाल सैद्धांतिक छलांग थी, लेकिन इस अवधारणा का पहली बार में जोरदार विरोध किया गया था क्योंकि इसने प्रकाश के तरंग सिद्धांत का खंडन किया था जो कि जेम्स क्लर्क मैक्सवेल के विद्युत चुंबकत्व के समीकरणों से स्वाभाविक रूप से अनुसरण करता था, और अधिक आम तौर पर, भौतिक प्रणालियों में ऊर्जा की अनंत विभाज्यता की धारणा। प्रयोगों से पता चला कि फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के लिए आइंस्टीन के समीकरण सटीक थे, फोटॉन के विचार का प्रतिरोध जारी रहा।
आइंस्टीन के काम ने भविष्यवाणी की कि अलग-अलग उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा प्रकाश की आवृत्ति के साथ रैखिक रूप से बढ़ती है। शायद आश्चर्यजनक रूप से, उस समय सटीक संबंध का परीक्षण नहीं किया गया था। 1905 तक यह ज्ञात हो गया था कि आपतित प्रकाश की बढ़ती आवृत्ति के साथ फोटोइलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा बढ़ती है और प्रकाश की तीव्रता से स्वतंत्र होती है। हालाँकि, वृद्धि का तरीका 1914 तक प्रयोगात्मक रूप से निर्धारित नहीं किया गया था जब रॉबर्ट एंड्रयूज मिलिकन ने दिखाया कि आइंस्टीन की भविष्यवाणी सही थी
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव ने प्रकाश की प्रकृति में तरंग-कण द्वैत की तत्कालीन उभरती अवधारणा को आगे बढ़ाने में मदद की। प्रकाश में एक साथ तरंगों और कणों दोनों की विशेषताएं होती हैं, प्रत्येक परिस्थितियों के अनुसार प्रकट होता है। प्रकाश के शास्त्रीय तरंग विवरण के संदर्भ में प्रभाव को समझना असंभव था, क्योंकि उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा आपतित विकिरण की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती थी। शास्त्रीय सिद्धांत ने भविष्यवाणी की थी कि इलेक्ट्रॉन समय के साथ ऊर्जा को ‘इकट्ठा’ करेंगे, और फिर उत्सर्जित होंगे
प्रकाश विद्युत का जनक कौन है ?
फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज जर्मन भौतिक विज्ञानी हेनरिक रुडोल्फ हर्ट्ज ने 1887 में की थी। उन्होंने यह खोज रेडियो तरंगों पर काम करते हुए की थी।
अल्बर्ट आइंस्टीन ने क्या खोजा था?
अल्बर्ट आइंस्टीन किस लिए जाने जाते हैं? अल्बर्ट आइंस्टीन अपने समीकरण E = mc2 के लिए सबसे ज्यादा जाने जाते हैं, जिसमें कहा गया है कि ऊर्जा और द्रव्यमान (पदार्थ) एक ही चीज हैं, बस अलग-अलग रूपों में। उन्हें फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज के लिए भी जाना जाता है, जिसके लिए उन्हें 1921 में भौतिकी का नोबेल पुरस्कार मिला था।