11.1 परिचय

एम्पीरिक्स के इलेक्ट्रोमैग्नेटिक समीकरण और 1887 में हर्ट्ज के इलेक्ट्रोमैग्नेटिक लहरों के उत्पादन और प्राप्ति पर वृत्तांत प्रयोगों ने प्रकाश की लहर प्रकृति को मजबूती से स्थापित किया। उसी समय के समानांतर रूप से, 19वीं शताब्दी के अंत में, गैस के निचले दबाव पर विस्फोट ट्यूब में गैस में विद्युत दर्शाने वाले प्रयोगों पर इलेक्ट्रिसिटी के प्रवाह पर वृत्तांत ने कई ऐतिहासिक खोजों को जन्म दिया। 1895 में रॉयंटेन द्वारा पाइक्स-रे की खोज और 1897 में जे. जे. थॉम्सन द्वारा इलेक्ट्रॉन की खोज आणविक संरचना की समझ में महत्वपूर्ण चरण थी। यह पाया गया कि जब बैकलाइटर की दबाव के लगभग $0.001 \mathrm{~mm}$ पर गैस का दबाव कम होता है, तो विद्युत दर्शाने वाले ट्यूब में विद्युत क्षेत्र लगाने पर दोनों इलेक्ट्रोडों के बीच विद्युत विस्फोट होता है। कैथोड के विपरीत ग्लास पर एक फ्लॉरिसेंट चमक दिखाई देती है। ग्लास की चमक का रंग ग्लास के प्रकार पर निर्भर करता है, जो सोडा ग्लास के लिए पीली-हरी होती है। इस फ्लॉरिसेंस का कारण कैथोड से आने वाले विकिरण को आरोपित किया गया था। इन कैथोड रेज की खोज 1870 में विलियम क्रॉक्स द्वारा की गई थी, जिन्होंने 1879 में बाद में यह सुझाव दिया कि ये रेज धीमे गति वाले नकारात्मक राशियों वाले पदार्थों की स्ट्रीम से बने होते हैं। ब्रिटिश भौतिकीय $(\mathrm{e} / \mathrm{m})$ जे. जे. थॉम्सन (1856-1940) ने इस अपेक्षा को पुष्टि किया। विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों को विद्युत विस्फोट ट्यूब के आपस में लंबवत और आलंबवत अलग-अलग करने पर, जे. जे. थॉम्सन ने पहले से ही कैथोड रेज पदार्थों की गति और विशिष्ट राशि [चार्ज से द्रव्यमान अनुपात $\left(3 \times 10^{8} \mathrm{~m} / \mathrm{s}\right)$] का वृत्तांत प्रयोग करके निर्धारित किया। उन्हें प्रकाश की गति $e / \mathrm{m}$ के लगभग 0.1 से 0.2 गति से चलने का पता चला। आज का स्वीकृत $1.76 \times 10^{11} \mathrm{C} / \mathrm{kg}$ $e / \mathrm{m}$ है। इसके अलावा, $e / m$ का मान कैथोड (इमिटर) के रूप में उपयोग किए गए पदार्थ/धातु के प्रकार या विद्युत विस्फोट ट्यूब में प्रवेश किए गए गैस के प्रकार पर अलग-अलग नहीं पाया गया। इस अवलोकन ने कैथोड रेज पदार्थों की वैश्विक प्रकृति को सुझाया।

उसी समय के आसपास, 1887 में, यह पाया गया कि कुछ धातुयों को अति उत्तेजित प्रकाश के दर्शन से धीमी गति वाले नकारात्मक राशियों वाले पदार्थ उत्सर्जित करते हैं। इसी प्रकार, कुछ धातुयों को उच्च तापमान पर गर्म करने पर धीमी गति वाले नकारात्मक राशियों वाले पदार्थ उत्सर्जित करते हैं। इन पदार्थों के $1.602 \times 10^{-19} \mathrm{C}$ का मान कैथोड रेज पदार्थों के लिए समान पाया गया। इस अवलोकन ने इस बात को स्थापित किया कि अलग-अलग परिस्थितियों में उत्पन्न इन सभी पदार्थों की प्रकृति में समानता है। जे. जे. थॉम्सन ने 1897 में इन पदार्थों को इलेक्ट्रॉन कहा और उन्हें पदार्थ के मौलिक, वैश्विक घटक के रूप में सुझाया। इलेक्ट्रॉन की इस युगविक्रम की खोज के लिए, गैसों द्वारा विद्युत प्रवाह पर उनके सिद्धांत और वृत्तांत अनुसंधान के लिए उन्हें 1906 में भौतिकी के नोबल पुरस्कार मिला। 1913 में, अमेरिकी भौतिकीय $(e)$ आर. ए. मिलिकन (1868-1953) ने इलेक्ट्रॉन के चार्ज के सटीक मापन के लिए इलेक्ट्रॉन चार्ज के मौलिक मान $(e / m)$ के लिए प्रारंभिक तेल ड्रॉप प्रयोग किया। उन्होंने पाया कि तेल की बूँद का चार्ज हमेशा एक पूर्णांक गुणक के रूप में मौलिक चार्ज $(m)$ के बराबर होता है। मिलिकन का प्रयोग विद्युत चार्ज के क्वांटाइजेशन को स्थापित करता है। चार्ज $\phi_{0}$ और विशिष्ट राशि $1 \mathrm{eV}=1.602 \times 10^{-19} \mathrm{~J}$ के मानों से इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $\left(\phi_{0}\right)$ निर्धारित किया जा सकता है।

11.2 इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन

हम जानते हैं कि धातुयों में स्वतः इलेक्ट्रॉन (नकारात्मक राशियों वाले पदार्थ) होते हैं जो उनकी प्रवाहता के लिए जिम्मेदार होते हैं। हालांकि, स्वतः इलेक्ट्रॉन आमतौर पर धातु की सतह से बाहर नहीं जा सकते। यदि एक इलेक्ट्रॉन धातु से बाहर निकलने का प्रयास करता है, तो धातु की सतह एक नकारात्मक राशि प्राप्त करती है और इलेक्ट्रॉन को धातु की ओर वापस खींचती है। इस प्रकार, स्वतः इलेक्ट्रॉन धातु की सतह के अंदर धातु के आयनों के आकर्षण के बल पर रखा जाता है। इस प्रकार, इलेक्ट्रॉन को धातु की सतह से बाहर निकलने के लिए उसे आकर्षण के बल पर हटाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करनी होती है। इलेक्ट्रॉन को धातु की सतह से बाहर निकलने के लिए दिया जाने वाला एक न्यूनतम ऊर्जा की मांग होती है। इस न्यूनतम ऊर्जा को धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन छूटने के लिए आवश्यक ऊर्जा कहा जाता है। यह न्यूनतम ऊर्जा धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन छूटने के लिए आवश्यक ऊर्जा को धातु की कार्य क्षमता कहते हैं। इसे आमतौर पर $10^{8} \mathrm{~V} \mathrm{~m}^{-1}$ द्वारा दर्शाया जाता है और इलेक्ट्रॉन वॉल्ट (ईएवी) में मापा जाता है। एक इलेक्ट्रॉन वॉल्ट उस ऊर्जा के बराबर है जो एक इलेक्ट्रॉन को 1 वॉल्ट के 1 वॉल्ट के बराबर विभव अंतर के बल पर तेजी से गति प्राप्त करने के लिए प्राप्त करता है, इसलिए $\mathrm{C}$।

इस ऊर्जा की इकाई को आणविक और पदार्थ भौतिकी में आमतौर पर उपयोग किया जाता है। कार्य क्षमता $\mathrm{C}$ धातु की गुणधर्म और उसकी सतह की प्रकृति पर निर्भर करती है।

धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन के लिए इलेक्ट्रॉन को प्राप्त करने के लिए आवश्यक न्यूनतम ऊर्जा को स्वतः इलेक्ट्रॉनों को प्रदान करने के लिए निम्नलिखित भौतिक प्रक्रियाओं में से किसी एक के माध्यम से प्रदान किया जा सकता है:

(ए) थर्मोइयन उत्सर्जन: उचित गर्मी के माध्यम से, स्वतः इलेक्ट्रॉनों को धातु से बाहर निकलने के लिए पर्याप्त भौतिक ऊर्जा प्रदान की जा सकती है।

(बी) फील्ड उत्सर्जन: एक बहुत अधिक विद्युत क्षेत्र ($\mathrm{S}$ के क्रम में) को धातु पर लागू करने पर, जैसे कि स्पार्क प्लग में, इलेक्ट्रॉन को धातु से बाहर निकलने के लिए प्राप्त किया जा सकता है।

(सी) फोटोइयन उत्सर्जन: जब उचित आवृत्ति वाला प्रकाश एक धातु की सतह पर प्रकाशित होता है, तो धातु की सतह से इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित होते हैं। इन प्रकाश (प्रकाश)-उत्पन्न इलेक्ट्रॉनों को फोटोइलेक्ट्रॉन कहा जाता है।

11.3 फोटोइयन प्रभाव

11.3.1 हर्ट्ज के अवलोकन

फोटोइयन उत्सर्जन की घटना 1887 में हेनरिक हर्ट्ज (1857-1894) द्वारा उनके इलेक्ट्रोमैग्नेटिक लहर प्रयोगों के दौरान खोजी गई थी। उनके इलेक्ट्रोमैग्नेटिक लहरों के उत्पादन के लिए एक स्पार्क विस्फोट के माध्यम से उनके वृत्तांत अनुसंधान में, हर्ट्ज ने देखा कि एक आर्क लैम्प से आने वाले अति उत्तेजित प्रकाश के दर्शन पर उत्पादक प्लेट को प्रकाशित करने पर डिटेक्टर लूप के आसपास उच्च विभव स्पार्क बढ़ जाते हैं।

धातु की सतह पर प्रकाश की आवृत्ति कुछ ऐसा करती है जिससे स्वतः चार्ज किए गए पदार्थ जैसे कि हम अब जानते हैं इलेक्ट्रॉन को छूटने में सहायता मिलती है। जब प्रकाश एक धातु की सतह पर पड़ता है, तो सतह के पास के कुछ इलेक्ट्रॉन आवृत्ति के आवृत्ति के दर्शन से पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं ताकि उन्हें सतह के पदार्थ के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धातु के धात