கதிர்வீச்சு மற்றும் பருப்பொருளின் இருமைப்பண்பு: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

கதிர்வீச்சு மற்றும் பருப்பொருளின் இருமைப்பண்பு பற்றி

நடுத்தரம் ~120 நிமிடப் படிப்பு

சென்ற பாடத்தில் குறுக்கீட்டு விளைவும் விளிம்பு விளைவும் ஒளி ஒரு அலை என்று காட்டின. இந்தப் பாடம் மறுபக்கத்தைக் காட்டுகிறது. ஒரு உலோகத்தின் மீது ஒளி விழுந்து எலக்ட்ரான்களை வெளியேற்றும்போது கிடைக்கும் முடிவுகள், ஒளி ஃபோட்டான்கள் எனப்படும் தனித்தனி ஆற்றல் பொதிகளாக வந்தால் மட்டுமே பொருள் தருகின்றன. மரபு அலைக் கொள்கையால் இந்த முடிவுகளை விளக்க முடியவில்லை. அந்தத் தோல்வியே குவாண்டம் இயற்பியலுக்கு வழி திறந்தது.

பாடம் இரண்டு படிகளில் செல்கிறது. முதலில், எலக்ட்ரான் உமிழ்வு, ஐன்ஸ்டீன் விளக்கிய ஒளிமின் விளைவு மூலம் கதிர்வீச்சின் துகள் பண்பைக் காட்டுகிறது. பிறகு அந்தக் கருத்தைத் திருப்பிப் போடுகிறது: இயங்கும் துகள்களுடன் அலைகள் தொடர்புடையவை என்று டி பிராக்லி முன்மொழிந்தார். படிகத்திலிருந்து எலக்ட்ரான்களை விளிம்பு விளைவு அடையச் செய்து டேவிசன்-ஜெர்மர் ஆய்வு இதை உறுதிப்படுத்தியது.

ஐன்ஸ்டீன் ஒளிமின் சமன்பாடு, டி பிராக்லி அலைநீளம் ஆகியவற்றில் கணக்குகள் அடிக்கடி வருகின்றன. ஒளிமின் உமிழ்வு விதிகள் பற்றிய சிறு வினாக்களும் உண்டு. இதே கருத்துகள் அணு இயற்பியலிலும் அணுக்கரு இயற்பியலிலும் மீண்டும் வருகின்றன. சாதாரண நுண்ணோக்கியை விட எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி எப்படி மிக நுண்ணிய விவரங்களைக் காண முடிகிறது என்பதையும் இவை விளக்குகின்றன.

நீங்கள் கற்பவை

• உலோகப் பரப்புகளிலிருந்து நிகழும் பல்வேறு வகை எலக்ட்ரான் உமிழ்வுகளை விவரித்தல்.
• ஆய்வு முடிவுகளிலிருந்து ஒளிமின் உமிழ்வு விதிகளைக் கூறி விளக்குதல்.
• ஐன்ஸ்டீன் சமன்பாட்டைப் பயன்படுத்தி ஃபோட்டான் ஆற்றல், வெளியேற்று ஆற்றல், பெரும இயக்க ஆற்றல் ஆகியவற்றைக் கணக்கிடுதல்.
• ஒரு துகளுக்கும், மின்னழுத்த வேறுபாட்டில் முடுக்கப்பட்ட எலக்ட்ரானுக்கும் டி பிராக்லி அலைநீளத்தை வருவித்தல்.
• ஒளி உமிழ்வு மின்கலத்தின் அமைப்பு, செயல்பாடு, பயன்களை விளக்குதல்.
• X-கதிர்கள் எப்படி உருவாகின்றன என்று விளக்கி, அவற்றின் தொடர் நிறமாலையையும் சிறப்பு நிறமாலையையும் விவரித்தல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• அலை ஒளியியலில் படித்த ஒளியின் அலைப் பண்பு
• அணுவின் அடிப்படை அமைப்பு
• ஆற்றல் அழிவின்மை விதி
• இயக்க ஆற்றலும், மின்னழுத்த வேறுபாட்டில் ஒரு மின்னூட்டம் பெறும் ஆற்றலும் (eV)

கதிர்வீச்சு மற்றும் பருப்பொருளின் இருமைப்பண்பு — விரிவான விளக்கம்

அலை-துகள் இருமைப்பண்பு, படிப்படியாக

எலக்ட்ரான் உமிழ்வும் ஒளிமின் விளைவும்

உலோகத்திலுள்ள எலக்ட்ரான்கள் வெளியேறக் குறைந்தபட்ச ஆற்றல் தேவை. அதுவே வெளியேற்று ஆற்றல் (Work function). இந்த ஆற்றலை அவை வெப்பத்திலிருந்து (வெப்ப அயனி உமிழ்வு), வலிமையான மின்புலத்திலிருந்து (புல உமிழ்வு), ஒளியிலிருந்து (ஒளிமின் உமிழ்வு), அல்லது பரப்பைத் தாக்கும் வேகமான எலக்ட்ரான்களிலிருந்து (இரண்டாம்நிலை உமிழ்வு) பெறலாம். ஹால்வாக்ஸ், லெனார்டு ஆகியோர் ஒளிமின் உமிழ்வை ஆராய்ந்து, அலைக் கொள்கையால் விளக்க முடியாத முடிவுகளைக் கண்டனர். ஒளிமின்னோட்டம் ஒளியின் செறிவைப் பொறுத்தது. ஆனால் உமிழப்படும் எலக்ட்ரான்களின் பெரும இயக்க ஆற்றல் ஒளியின் அதிர்வெண்ணையும் உலோகத்தையும் மட்டுமே பொறுத்தது, செறிவைப் பொறுத்ததல்ல. பயனுறு அதிர்வெண்ணுக்குக் கீழே, ஒளி எவ்வளவு பிரகாசமாக இருந்தாலும் எலக்ட்ரான்கள் வெளிவருவதில்லை. உமிழ்வு உடனடியாகவும் நிகழ்கிறது.

ஐன்ஸ்டீனின் ஒளிமின் சமன்பாடு

ஒளி ஃபோட்டான்களால் ஆனது, ஒவ்வொன்றின் ஆற்றல் $E = h\nu$ என்று ஐன்ஸ்டீன் முன்மொழிந்தார். ஒரு ஃபோட்டான் தனது முழு ஆற்றலையும் ஒரு எலக்ட்ரானுக்குத் தருகிறது. அதில் ஒரு பகுதி வெளியேற்று ஆற்றல் $\phi_0$ ஐக் கடக்கச் செலவாகிறது. மீதி இயக்க ஆற்றலாகத் தோன்றுகிறது: $h\nu = \phi_0 + \frac{1}{2}mv_{max}^2$. பெரும இயக்க ஆற்றல் $eV_0$ க்குச் சமம் என்பதால், நிறுத்து மின்னழுத்தத்துக்கும் அதிர்வெண்ணுக்கும் இடையிலான வரைபடம் h/e சாய்வுள்ள நேர்கோடு. இது ஒளிமின் உமிழ்வின் எல்லா விதிகளையும் விளக்கியது. ஒளியின் துகள் பண்புக்கு வலிமையான சான்றும் தந்தது.

ஒளிமின்கலங்களும் அவற்றின் பயன்களும்

ஒளிமின்கலம் (Photocell) ஒளி ஆற்றலை மின்னாற்றலாக மாற்றுகிறது. ஒளிமின்கலங்கள் மூன்று வகைப்படும்: ஒளி உமிழ்வு மின்கலம், ஒளி வோல்டா மின்கலம், ஒளிக் கடத்து மின்கலம். பாடநூல் ஒளி உமிழ்வு மின்கலத்தை விவரிக்கிறது. அதில் கேத்தோடின் மீது விழும் ஒளி எலக்ட்ரான்களை விடுவிக்கிறது. அவற்றை ஆனோடு சேகரிக்கிறது. தானியங்கித் தெரு விளக்குகள், திருட்டு எச்சரிக்கை மணிகள், புகைப்படக் கலையில் ஒளிப்பதிவு அளவிகள், திரைப்படங்களில் ஒலியை மீட்டுருவாக்குதல் ஆகியவற்றில் ஒளிமின்கலங்கள் பயன்படுகின்றன.

டி பிராக்லியின் பருப்பொருள் அலைகள்

ஒளி துகள்களைப் போல நடந்துகொள்ள முடியுமானால், துகள்களும் அலைகளைப் போல நடந்துகொள்ள வேண்டும் என்று லூயி டி பிராக்லி வாதிட்டார். p உந்தமுள்ள துகளின் அலைநீளம் $\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{mv}$. V மின்னழுத்த வேறுபாட்டில் முடுக்கப்பட்ட எலக்ட்ரானுக்கு இது $\lambda = \frac{12.27}{\sqrt{V}}$ Å ஆகிறது. 100 V இல் இது ஏறக்குறைய 1.227 Å. இது படிகத்திலுள்ள அணுக்களுக்கு இடையிலான இடைவெளிக்கு அருகில் உள்ளது. இயங்கும் ஒவ்வொரு பொருளுக்கும் இத்தகைய அலை உண்டு. ஆனால் அன்றாடப் பொருள்களுக்கு அலைநீளம் கண்டறிய முடியாத அளவுக்கு மிகச் சிறியது.

டேவிசன்-ஜெர்மர் ஆய்வும் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கியும்

டேவிசனும் ஜெர்மரும் 54 V இல் முடுக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்களை நிக்கல் படிகத்தின் மீது செலுத்தினர். 50° இல் வலிமையான விளிம்பு விளைவுக் கற்றையைக் கண்டனர். இதிலிருந்து கணக்கிட்ட அலைநீளம் டி பிராக்லியின் மதிப்பான ஏறக்குறைய 1.67 Å உடன் பொருந்தியது. எலக்ட்ரான்கள் அலைகளாக நடந்துகொள்கின்றன என்பது உறுதியானது. எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி இந்தக் கருத்தைப் பயன்படுத்துகிறது. வேகமான எலக்ட்ரான்களின் அலைநீளம் கண்ணுறு ஒளியை விட மிகக் குறைவு. எனவே ஒளியியல் நுண்ணோக்கியை விட மிகச் சிறிய விவரங்களை அது பிரித்தறிய முடியும்.

X-கதிர்கள்

கூலிட்ஜ் குழாயில் வேகமான எலக்ட்ரான்கள் உலோக இலக்கைத் தாக்கும்போது X-கதிர்கள் உருவாகின்றன. இலக்கில் வேகம் குறையும் எலக்ட்ரான்கள் தொடர் நிறமாலையைத் தருகின்றன. அதற்குக் கூர்மையான சிறும அலைநீள வரம்பு $\lambda_0 = \frac{hc}{eV}$ உண்டு. இலக்கு அணுக்களின் உள் கூடுகளுக்கு இடையே தாவும் எலக்ட்ரான்கள் கூர்மையான சிறப்பு வரிகளைத் தருகின்றன. அவை இலக்குப் பொருளைப் பொறுத்தவை. மருத்துவ நோயறிதல், உலோகப் பாகங்களில் விரிசல்களைக் கண்டறிதல், படிக அமைப்பை ஆராய்தல் ஆகியவற்றில் X-கதிர்கள் பயன்படுகின்றன.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• செறிவையும் அதிர்வெண்ணையும் குழப்புதல். செறிவு ஒளிமின்னோட்டத்தைத் தீர்மானிக்கிறது. அதிர்வெண் பெரும இயக்க ஆற்றலைத் தீர்மானிக்கிறது.
• பயனுறு அதிர்வெண்ணை அலைக் கொள்கையால் விளக்க முயலுதல். பிரகாசமான சிவப்பு ஒளி எலக்ட்ரான்களை வெளியேற்றாமல் இருக்கலாம், மங்கலான ஊதா ஒளி வெளியேற்றலாம். இதை ஃபோட்டான் விளக்கம் மட்டுமே விளக்குகிறது.
• டி பிராக்லி அலைநீளத்தில் அலகுப் பிழைகள். நிறையை kg ஆகவும், ஆற்றலை ஜூலாகவும் மாற்றி, h = 6.626 × 10⁻³⁴ J s ஐப் பயன்படுத்துங்கள்.
• வெளியேற்று ஆற்றலை மறத்தல். பெரும இயக்க ஆற்றல் என்பது hν கழித்தல் φ₀, முழு ஃபோட்டான் ஆற்றல் அல்ல.
• இரண்டு X-கதிர் நிறமாலைகளையும் இடம் மாற்றுதல். தொடர் நிறமாலை வேகம் குறையும் எலக்ட்ரான்களிலிருந்து வருகிறது. சிறப்பு வரிகள் இலக்கு அணுக்களின் உள் கூடு தாவல்களிலிருந்து வருகின்றன.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

ஒளிமின் விளைவில் பயனுறு அதிர்வெண் என்றால் என்ன?

ஒரு குறிப்பிட்ட உலோகத்திலிருந்து எலக்ட்ரான்களை வெளியேற்றக்கூடிய ஒளியின் சிறும அதிர்வெண் இது. இந்த அதிர்வெண்ணுக்குக் கீழே, ஒளி எவ்வளவு செறிவாக இருந்தாலும் எலக்ட்ரான்கள் உமிழப்படுவதில்லை. இது வெளியேற்று ஆற்றலைப் பொறுத்தது: ν₀ = φ₀/h.

ஒளியின் செறிவு ஒளிமின்னோட்டத்தை எப்படிப் பாதிக்கிறது?

அதிர்வெண் பயனுறு அதிர்வெண்ணுக்கு மேல் இருக்கும் வரை, ஒளிமின்னோட்டம் செறிவுக்கு நேர்விகிதத்தில் இருக்கும். அதிக செறிவு என்றால் ஒவ்வொரு வினாடியும் அதிக ஃபோட்டான்கள் பரப்பைத் தாக்குகின்றன. எனவே அதிக எலக்ட்ரான்கள் உமிழப்படுகின்றன. செறிவு அவற்றின் பெரும இயக்க ஆற்றலை மாற்றுவதில்லை.

டேவிசன்-ஜெர்மர் ஆய்வு எதை நிரூபித்தது?

54 V இல் முடுக்கப்பட்ட எலக்ட்ரான்கள் நிக்கல் படிகத்தால் விளிம்பு விளைவு அடைந்து 50° இல் ஒரு உச்சத்தைத் தந்தன. விளிம்பு விளைவு ஒரு அலைப் பண்பு. அளந்த அலைநீளம் டி பிராக்லி சமன்பாட்டுடன் ஒத்துப்போனது. பருப்பொருளின் அலைப் பண்புக்கு இது ஆய்வுச் சான்றாக அமைந்தது.

இயங்கும் காரின் அலைப் பண்பை ஏன் பார்க்க முடிவதில்லை?

டி பிராக்லி அலைநீளம் h/mv. காரின் நிறை மிக அதிகம். எனவே அதன் அலைநீளம் மிக மிகச் சிறியது, அளக்கக்கூடிய எதையும் விடக் குறைவு. எலக்ட்ரான்கள் போன்ற மிக இலேசான துகள்களுக்கு மட்டுமே அலை விளைவுகள் கவனிக்கத்தக்கவை.

ஃபோட்டான் சாதாரணத் துகளிலிருந்து எப்படி வேறுபடுகிறது?

ஃபோட்டானுக்கு ஓய்வு நிறை சுழி. அது வெற்றிடத்தில் எப்போதும் ஒளியின் வேகத்தில் செல்கிறது. அதன் ஆற்றல் அதிர்வெண்ணை மட்டுமே பொறுத்தது, E = hν. அதன் உந்தம் h/λ. சாதாரணத் துகளுக்கு ஓய்வு நிறை உண்டு. அது ஒளியின் வேகத்தை விடக் குறைவான எந்த வேகத்திலும் இயங்கலாம்.

கூலிட்ஜ் குழாயில் X-கதிர்கள் எப்படி உருவாகின்றன?

சூடேற்றப்பட்ட இழை எலக்ட்ரான்களை உமிழ்கிறது. அவை உயர் மின்னழுத்தத்தால் உலோக இலக்கை நோக்கி முடுக்கப்படுகின்றன. அவை இலக்கைத் தாக்கும்போது அவற்றின் இயக்க ஆற்றலில் ஒரு சிறு பகுதி X-கதிர்களாக மாறுகிறது. பெரும்பாலான ஆற்றல் வெப்பமாகிறது. எனவே இலக்கு டங்ஸ்டன் போன்ற உயர் உருகுநிலை உலோகத்தால் செய்யப்பட்டு குளிர்விக்கப்படுகிறது.