ஒளிமின் விளைவு

உலோகத் தட்டொன்றில் இருந்து இலத்திரன்கள் உமிழப்படுவதற்கு தட்டின் மீது விழும் ஒளியன்களிலிருந்து கிடைக்கும் ஆற்றல் தட்டின் வெளியேறு ஆற்றலை விட அதிகமாக இருக்க வேண்டும்.

ஒளிமின் விளைவு (photoelectric effect) என்பது மாழை (உலோகம்) போன்ற ஒரு பொருள் மீது குறிப்பிட்ட அதிர்வெண் கொண்ட ஒளி அல்லது மின்காந்த அலைகள் வீழும்போது, அப்பொருளில் இருந்து எதிர்மின்னிகள் வெளியேறுகின்றன. இதுவே ஒளிமின் விளைவாகும். இது குவாண்டம் இயல்பியலில் அதன் தனிச்சிறப்பான விளைவுகளில் ஒன்று. முதலில் இவ்விளைவைக் 1887ஆம் ஆண்டு ஐன்ரிக் ஏர்ட்சு, என்பவர் கண்டுபிடித்தார் . இதனால் இவ்விளைவு ஏர்ட்ஃசின் விளைவு என முன்னர் அழைக்கப்பட்டது. ஆனாலும் இப்பெயரில் இது தற்போது அழைக்கப்படுவதில்லை. இவ் விளைவு குவாண்டம் இயல்பியல் கொள்கைகள் கண்டுபிடித்து நிறுவுவதற்கு முன் கண்டுபிடிக்கப்பட்டது. இவ்விளைவை ஆல்பர்ட் ஐன்சுட்டைன், குவாண்டம் இயல்பியல் கொள்கைகளின் படி விளக்கினார். இவ்விளைவை விளக்கியதற்காக ஐன்சுட்டைனுக்கு 1921 ஆம் ஆண்டு இயற்பியல் நோபல் பரிசு வழங்கப்பட்டது.

குவாண்டம் விளைவு

குவாண்டம் இயல்பியல் கருத்துகளுக்கு முன்பிருந்த நியூட்டனிய இயல்பியல் கொள்கைகளின்படி இவ்விளைவை விளக்க இயலவில்லை. ஏனெனில் நியூட்டனின் இயல்பியல் படி, வீழும் கதிர்வீச்சிலிருந்து ஒரு குறிப்பிட்ட ஆற்றலைப் பெற்றால் எதிர்மின்னிகள் வெளியேற வேண்டும்; எனில், பல ஒளியன்கள் (ஒளித்துகள்கள்) தேவையான எண்ணிக்கையில் (செறிவில்) விழுந்தால், அவற்றிலிருந்து கூட்டாகப் பெறும் ஆற்றலால் எதிர்மின்னிகள் வெளியேறியிருக்க வேண்டும். ஆனால், ஒரு குறிப்பிட்ட அலைநீளத்திற்கு கூடுதலான அலைநீளங்கள் கொண்ட ஒளியால் / மின்காந்த அலைகளால், எவ்வளவு செறிவைக் கூட்டினாலும், எதிர்மின்னிகளை வெளியேற்ற இயலாது; ஆனால், அக்குறிப்பிட்ட அலைநீளத்துக்கும் குறைவான அலைநீளம் கொண்ட ஒளியன்கள் அப்பொருள் மீது விழுந்தால் மட்டுமே எதிர்மின்னிகள் வெளியேறின. எதிர்மின்னிகள் வெளியேறத் தேவைப்படும் ஆற்றலை தனி ஒளியன்கள் பெற்றிருந்தால் மட்டுமே அவற்றை எதிர்மின்னிகள் பற்றக்கூடும் (இது குவாண்டம் கொள்கைகளுள் ஒன்று). குறைவான ஆற்றல் கொண்ட ஒளியன்கள் எத்தனை எண்ணிக்கையில் செலுத்தினாலும், அவற்றின் கூட்டான ஆற்றலை எதிர்மின்னிகள் பெற்று வெளியேற முடியாது (பற்ற இயலாது).

வெளியேறும் எதிர்மின்னிகள் (இலத்திரன்கள்) ஒளிமின் எலக்ட்ரான்கள் (ஒளியுந்து இலத்திரன்கள்) (photoelectrons) என அழைக்கப்படுகின்றன. அத்துடன் ஒளிவிலகல், ஒளிச்சிதறல் (Scattering), விளிம்பு விளைவு (Diffraction) போன்றவற்றை விளக்கும் அலை-துகள் இருமை (Wave-Particle Duality) ஆகியவையும் விளக்க இவ்விளைவின் அறிவு உதவியது..

அறிமுகம்

தளமொன்று மின்காந்த அலைகளால் தாக்கப்படும்போது ஓர் குறிப்பிட்ட அதிர்வெண்ணைத் மீறிய நிலையில் (கார உலோகங்களில் காணுறு ஒளியிலும், பிற உலோகங்களுக்கு புற ஊதா ஒளியிலும் உலோகமற்றவற்றிற்கு புற ஊதா ஒளியின் மிக விளிம்பிலும்) அலைகள் உட்கவரப்பட்டு இலத்திரன்கள் வெளியேறுகின்றன. 1887ஆம் ஆண்டு ஐன்ரிக் எர்ட்சு இந்நிகழ்வை கவனித்தார். ஹைடெல்பெர்க்கைச் சேர்ந்த யோகன் எல்சுடர் (Johann Elster, 1854-1920) மற்றும் ஹான் கெயிஸ்டல்(Hans Geistel, 1855-1923) இருவரும் ஒளியின் அடர்த்தியை அளவிடப் பயன்படுத்தக்கூடிய முதல் ஒளிமின் சில்லுகளை உருவாக்கினர்..

1902ஆம் ஆண்டு பிலிப் எட்வர்ட் ஆன்டன் வொன் லேனர்ட் என்பவர் ஒளியின் அதிர்வெண் (ஒளியின் வண்ணத்தைச் சார்ந்தது) உயர உயர வெளிவந்த இலத்திலன்களின் ஆற்றலும் கூடுவதைக் கவனித்தார். இது, அப்போதிருந்த ஜேம்ஸ் கிளார்க் மாக்ஸ்வெல்லின் அலை கொள்கைகளின்படி, காட்டப்படும் ஒளியின் அடர்த்திக்கேற்ப இலத்திரன்களின் ஆற்றல் இருக்க வேண்டும் என்றிருக்க அவ்வாறில்லாதது வியப்பாக இருந்தது. உமிழப்படும் அல்லது உட்கவரப்படும் ஆற்றலானது தொடர்ச்சியாக அல்லாமல், மேலும் பகுக்க இயலாத, குவாண்டம் எனப்படும் ஆற்றல் திணிக்கப்பட்ட சிறுசிறு துகள்களில் முழு மடங்குகளாக உள்ளன என்று 1900இல் ஃபிளாங்க் கருதினார். 1905ஆம் ஆண்டு, ஐன்சுடைன் ஒளியலைகள் என்பவை ஆற்றல் திணிக்கப்பட்ட சிறு பெட்டகங்கள் எனவும் அவை ஃபோட்டான்கள் அல்லது ஒளியன்கள் எனவும் விளக்கினார். பிளாங்கின் கருப்பு பொருளின் கதிர்வீச்சு கொள்கைகளை அடிப்படையாகக் கொண்டு ஒளியன்களில் உள்ள ஆற்றலின் மதிப்பு கதிர்வீச்சின் அதிர்வெண்ணை ஓர் மாறிலியால் பெருக்குவதற்கு சமமானது என்ற கருத்தாக்கத்தை உருவாக்கினார். இந்த மாறிலி எண் பின்னாளில் பிளாங்கின் மாறிலி (h=6.626 x 10^-34) என அழைக்கப்பட்டது. ஆகவே குறுமட்ட அதிர்வெண்ணை விடக் கூடுதலாக அதிர்வெண் உள்ள ஒளியன்கள் ஓர் இலத்திரனை வெளியேற்றத் தேவையான ஆற்றல் கொண்டுள்ளது என கவனிக்கப்பட்ட நிகழ்விற்கு விளக்கம் அளித்தார். இதுவே குவாண்டம் இயற்பியலுக்கு வழிகோலியதுடன் ஐன்சுடன் 1921ஆம் ஆண்டின் இயற்பியலுக்கான நோபல் பரிசு பெறவும் காரணமாக அமைந்தது.

விளக்கம்

ஒளியன்களுடன் அவற்றின் அதிர்வெண் சார்புடைய ஆற்றல் உள்ளது. ஒளிமின் உமிழ்வின்போது ஓர் பொருளில், ஓர் ஒளியனின் ஆற்றலை உட்கவர்ந்த இலத்திரன் தன்னைப் பிணைத்திருக்கும் ஆற்றலை (பொருளின் வெளியேறாற்றல் (work function) எனப்படுகிறது) விட கூடுதலாகப் பெற்று தன்னை விடுவித்துக் கொள்கிறது. ஒளியனின் ஆற்றல் மிகக்குறைந்திருந்தால் இலத்திரனால் தன்னை விடுவித்துக்கொள்ள இயலாது. ஒளியின் அடர்த்தியைக் கூட்டினால் ஒளியன்களின் எண்ணிக்கை கூடுகிறது, ஆனால் இலத்திரன்களுக்கு வேண்டிய ஆற்றல் கிடைப்பதில்லை. ஆகவே ஒளிமின் உமிழ்வு ஒளியின் அடர்த்தியைப் பொறுத்திராது அதிர்வெண்ணைப் பொறுத்தே அமைகிறது.

இலத்திரன்கள் ஒளியன்களிடமிருந்து ஆற்றலை உட்கவர முடியும் என்றாலும் பொதுவாக அவை "அனைத்தும் அல்லது ஒன்றும்இல்லை" என்ற கொள்கையுடன் செயல்படுகின்றன. ஒரு ஒளியனின் அனைத்து ஆற்றலும் உட்கவரப்பட்டு அணுக்கருவிலிருந்து ஓர் இலத்திரன் விடுவிக்கப்பட வேண்டும் அல்லது அவ்வாற்றல் மீண்டும் உமிழப்படுகிறது. ஒளியனின் ஆற்றலை உட்கவர்ந்த இலத்திரன் தன்னை விடுவிக்கப் பயன்படுத்திய ஆற்றலுக்கு மிகுதியாக உள்ளது அதன் இயக்க ஆற்றலாக மாறுகிறது.

ஒளிமின் உமிழ்வு விதிகள்

1. கொடுக்கப்பட்ட மாழையில், அதே அதிர்வெண்ணிற்கு, ஒளியுந்து இலத்திரன்கள் வெளியேற்றப்படும் வீதம் காட்டப்படும் ஒளியின் அடர்த்தியுடன் நேர் விகிதத்தில் உள்ளது.
2. கொடுக்கப்பட்ட மாழையில், காட்டப்படும் ஒளியின் ஓர் குறிப்பிட்ட குறைந்த அதிர்வெண்ணிற்கு கீழ் ஒளியுந்து இலத்திரன்கள் உமிழப்படுவதில்லை. இது "அதிர்வெண் வாயில்" என்றழைக்கப்படுகிறது.
3. கொடுக்கப்பட்ட மாழையில், ஓர் வெளியேறாற்றலுக்கு, விழுகின்ற ஒளியின் அதிர்வெண் உயர உயர, ஒளிமின் ஓட்டம் உயர்கிறது.
4. அதிர்வெண் வாயிலுக்கு மேலான நிலையில், உமிழப்பட்ட ஒளியுந்து இலத்திரனின் உயர்ந்த இயக்க ஆற்றல் விழுகின்ற ஒளியின் அதிர்வெண்ணைப் பொறுத்துள்ளது; ஆனால் ஒளியின் அடர்த்தியை, மிகக் கூடிய நிலையில் இல்லாதவரை, சார்ந்தில்லை.
5. ஒளிக்கதிர்வீச்சு விழுவதற்கும் ஒளியுந்து இலத்திரன்கள் உமிழப்படுவதற்கும் இடையேயான நேரம் மிகக் குறைந்ததாகும். (10⁻⁹வினாடிக்கும் குறைவு)
6. உமிழப்படும் இலத்திரன்கள வெளிப்படும் திசை, காட்டப்படும் ஒளியின் (நேரான முனைவாக்கம் கொண்டிருந்தால்) முனைவாக்கத்தின் திசையில் (மின்புலத்தின் திசை) கூடுதலாக உள்ளது.

சமன்பாடுகள்

ஒளியனின் (photon) ஆற்றல் = இலத்திரன் ஒன்றை வெளியேற்றுவதற்குத் தேவைப்படும் ஆற்றல் + வெளியேற்றப்பட்ட இலத்திரனின் இயக்க ஆற்றல்.

$hf = \phi + E_{k_\mathrm{max}}$

இங்கு

• $h$ - பிளாங்கின் மாறிலி,
• $f$ - மோதும் ஒளியனின் அதிர்வெண்,
• $\phi = h f_0$ - வெளியேறாற்றல் (சில சமயம் $W$ என்றும் பாவிக்கப்படுகிறது), தரப்பட்ட உலோகம் ஒன்றின் மேற்பரப்பில் இருந்து இலத்திரன் ஒன்றை வெளியேற்றத் தேவைப்படும் மிகக்குறைந்த ஆற்றல்,
• $E_{k_\mathrm{max}} = \frac{1}{2} m v_m^2$ - வெளியேற்றப்பட்ட இலத்திரன்களின் அதிகபட்ச இயக்க ஆற்றல்,
• $f_0$ - ஒளிமின் விளைவு ஏற்படுவதற்கான குறைந்தபட்ச அதிர்வெண்,
• $m$ - வெளியேற்றப்பட்ட இலத்திரனின் ஓய்வு நிலைத் திணிவு,
• $v_m$ - வெளியேற்றப்பட்ட இலத்திரனின் வேகம்.

உமிழப்பட்ட இலத்திரன் எதிர்மறையான இயக்க ஆற்றலைக் கொண்டிருக்க முடியாது என்பதால், இச்சமன்பாட்டில் இருந்து, ஒளியனின் ஆற்றல் ($hf$) work function ($\phi$) ஐ விடக் குறைவானதாக இருந்தால், இலத்திரன் எதுவும் வெளியேற்றப்பட மாட்டாது.

ஐன்ஸ்டைனின் சிறப்புச் சார்புக் கோட்பாட்டின் படி, ஆற்றலுக்கும் ($E$) துணிக்கை ஒன்றின் உந்தத்திற்கும் ($p$) இடையேயான தொடர்பு $E = \sqrt{(pc)^2 + (mc^2)^2}$ என்ற சமன்பாட்டினால் தரப்படுகிறது. இங்கு, $m$ துணிக்கையின் ஓய்வு நிலைத் திணிவு, $c$ வெற்றிடத்தில் ஒளியின் வேகம்.

பயன்பாடுகள் மற்றும் தாக்கம்

1. வெற்றிடக் குழல் தொழில்நுட்பம் ஆட்சிசெய்த 50களில் ஒளிக்குழல் எனப்படும் வால்வு ஒளியை அளவிட பயன்பட்டு வந்தது. குறைகடத்திகள் வந்தபிறகு இலத்திரன்களை வெளியேற்றுவதற்கு மாற்றாக அவற்றைக் கொண்டு மின்னோட்டத்தை கூடுதலாக்கும் வகையில் கருவிகள் உருவாக்கப்பட்டன. ஓர் பொருளின் மின்கடத்தலுக்குத் தேவையான இலத்திரன்கள் கடத்தல்பட்டையில் (conduction band) இருக்க வேண்டும். பிணைப்புப் பட்டையிலிருந்து (valence band) கடத்தல் பட்டைக்கு உயர்த்தவேண்டிய அளவிலான ஆற்றல் கொண்ட ஒளியன்களை குறைகடத்திகளின் மீது பாய்ச்சுவதன் மூலம் மின்னோட்டத்தைக் கட்டுப்படுத்தலாம். இவ்வாறான வகையில் சூரியக்கலங்கள் வடிவமைக்கப்பட்டு சூரிய ஆற்றல் மின்னாற்றலாகப் பெறப்படுகிறது.

2. படிம உணரிகள்: தொலைக்காட்சி மற்றும் ஒளிப்படக் கருவிகளிலும் இவ்விளைவு பயன்படுத்தப்படுகிறது. மின்கடத்தலுக்கு மாறாக அண்மைக்கால கருவிகளில் விழுகின்ற ஒளித்தன்மைக்கேற்ப ஏற்படுத்தப்படும் மின்னூட்டத்துகள்கள் தரவுகளாக சேமிக்கப்படுகின்றன.

3. ஒளியுந்து இலத்திரன் நிறமாலைக்காட்டி (photoelectron spectroscopy) மூலம் ஓர் பொருளின் தனிமங்களின் கலவையை அறியலாம். வெளியேற்றப்படும் ஒளியுந்து இலத்திரன்களின் இயக்க ஆற்றல் விழுகின்ற ஒளியன்களின் ஆற்றலிலிருந்து தனிமத்தின் பணிச்சார்பினைக் கழித்துப் பெறப்படுவதால் வெளிவரும் இலத்திரன்களின் வேகங்களைக் கொண்டு வெளியேறாற்றல் அறிந்த தனிமங்கள் இருப்பதை உறுதி செய்யலாம்.

4. குறைந்த ஒளியிலும் காலியம் ஆர்சனைடு தகட்டில் விழும் அகச்சிவப்புக் கதிர்கள் ஒளி இலத்திரன்களை வெளியேற்றி ஒளிர்திரையில் விழச்செய்வது இரவுக்காட்சி படக்கருவிகளில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.

தாக்கங்கள்

1. விண்ணோடங்களின் புறப்பகுதி சூரிய ஒளியால் இலத்திரன்களை வெளியேற்றுவதால் மிகுந்த நேர்மறை மின்னூட்டத்துகள் (positively charged) பெற்றிருக்கும். சூரிய ஒளி விழாத பகுதிகள் குறைந்த எதிர்மறை மின்னூட்டத்துகள் பெற்றிருக்கும். இந்த வேறுபாடு விண்ணோட இலத்திரனியல் கருவிகளில் வழியே சமநிலை அடையும் முயற்சியில் அவை பழுதாகும். விண்ணோட வடிவமைப்பில் இதனைக் கணக்கில் கொள்ள வேண்டும்.

2. சந்திர தூசி: சந்திரனின் மேற்புறமும் சூரிய ஒளியால் நேர்மறை மின்னூட்டம் பெற்று சிறுதுகள்கள் பரப்பிலிருந்து எதிர்க்கப்பட்டு ஓர் மேகம் போல உலவுவதை சந்திரனுக்குச் சென்ற விண்கலங்கள் கண்டுள்ளன. தவிர, மிகச்சிறிய தூசி பல கி.மீ உயரே எறியப்பட்டு அங்கு சமநிலை அடைந்து மதிப்பரப்பில் விழுந்து மீண்டும் எழும்புவது ஓர் நீருற்று போல காட்சியளிக்கும்.

வெளி இணைப்புகள்

• Nave, R., "அலை-துகள் இருமை"
• "ஒளிமின் விளைவு". Physics 2000. University of Colorado, Boulder, Colorado.
• ACEPT W3 Group, "ஒளிமின் விளைவு". Department of Physics and Astronomy, Arizona State University, Tempe, AZ.