సంగ్రహ ఆంధ్ర విజ్ఞాన కోశము/మూడవ సంపుటము/ఛాయావిద్యుత్తు
ఛాయా విద్యుత్తు (Photo - Electricity) :
20 వ శతాబ్దారంభములో ఘటిల్లిన పెక్కు ఆవిష్కరణములు భౌతిక శాస్త్రవేత్తల ఆలోచనా విధానములో విప్లవమును గొని వచ్చినవి. ఈ ఆవిష్కరణములలో 'ఛాయా విద్యుత్పరిణామము'(Photo-electric effect) నకు ప్రముఖ మైనట్టి, సుస్థిర మైనట్టి స్థానము కలదు. క్రీ. శ. 1900 వ సం. వరకు దృశ్య కాంతితో (visible light) సహా వివిధ రూపముల కాంతి ప్రసరణము, వైహాయస (ether) మను ఊహా కల్పితయానము (hypothetical medium) నందు తరంగముల రూపములో ఉత్పన్న మగుననియు, ప్రసార మగుననియు, స్వీకరణము జరగుననియు భావింపబడెను. ఇంటర్ ఫియరెన్సు (inter-ference=జోక్యము,) నమనము (diffraction), ధృవీకరణము (polarization) అను అంశములపై జరుగు ప్రయోగములను కాంతి తరంగ స్వభావము (wave nature of light) పైననే ఆధారపడి అర్థముచేసికొనుటకు సాధ్యమగును. మాక్స్వెల్ (Maxwell) అను నాతడు ఈ తరంగములకు విద్యు దయస్కాంత లక్షణము లుండునని క్రీ. శ. 1864 సం.లో సిద్ధాంతరీత్యా నిరూపించి యున్నాడు. హెర్జ్ (Hertz) అను మరియొక శాస్త్రజ్ఞుడు పైన ఉదహరించిన సుప్రసిద్ధ సిద్ధాంతము యొక్క అనుమేయములను (deductions) పరిశోధనాలయములో 'ఆసి లేటరీ విద్యుత్ స్రావముల' (oscillatory electrical discharges) సహాయముతో విద్యుదయస్కాంత తరంగములను కల్పించుట మూలముగా రుజువు పరచెను. ఇట్లు సాధించబడిన అభివృద్దు లన్నిటి మూలమున, తరంగ సిద్ధాంతము (wave theory) నందు రకములైన రంగుల కాంతిని ఉపయోగించి వివిధములైన ప్రయోగములు జరపబడెను. ఒక వంక ఫోటో ఎలక్ట్రానులయొక్క సంఖ్యకును, వాటి వేగమునకును, మరియొక వంక ప్రయోగింపబడు కాంతి యొక్క తీవ్రతకును (intensity), తరచుదనమునకును (frequency) నడుమగల సంబంధ సామ్యములను కనుగొనుటకే ఈ ప్రయోగములు ఉద్దేశింపబడినవి. ఈ పరిశీలనా ఫలితములు ఛాయా విద్యుదుద్గార సూత్రముల రూపము (laws of photo-electric emission) లో సంగ్రహముగా ఈ దిగువ నియ్యడ మైనది :
(1) పతన కిరణము (incident light) యొక్క తరచుదనము (frequency) ఏదో యొక కనీస పరిమాణము కంటె ఎక్కువగా నుండిననేగాని, ఏ లోహమునుండి యైనను ఛాయా విద్యుదుద్గారము (photo-electric emmission) సంభవింపజాలదు.
(2) పతనకిరణము యొక్క తీవ్రత అతిశయించుటతో పాటుగా, బయల్వెడలు (omit) ఎలక్ట్రానుల సంఖ్య గూడ పెరుగును.
(3) ఫొటో ఎలక్ట్రానులు యొక్క గరిష్ఠ శక్తిగాని లేక వేగముగాని, కాంతియొక్క తీవ్రతమీద ఆధారపడి యుండక, దాని తరచుదనమును (frequency) బట్టి హెచ్చుచుండును. ఈవిధముగా అతి నీలలోహిత కాంతి పుంజము (అధికతరమైన తరచుదనము) నుండి ఉత్పన్నమగు ఎలక్ట్రానులు, సాధారణముగా పూర్వనీలలోహిత తేజఃపుంజము (అల్పతరమైన తరచుదనము) నుండి బయల్వెడలు వాటి కంటె అధికతర మైన వేగమును కలిగి యుండును.
(4) పతన కిరణ సంఘటనమునకును, ఎలక్ట్రానుల ఉద్గారమునకును (emission) నడుమ కాలవ్యవధి (time lag) ఉండదు.
ఛాయా విద్యుత్సిద్ధాంతము (Theory of photoelectric effect) : ఇంతకు పూర్వము పేర్కొనినట్లు, ఈ సిద్ధాంతము ఆవిష్కరణమగు కాలమున భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు కాంతి యనునది విద్యుదయస్కాంత తరంగ గమన రూపమున నుండునని దృఢముగ విశ్వసించి యుండిరి. తరంగ సిద్దాంతమును బట్టి కాంతికిరణము యొక్క తీవ్రత తరంగముల యొక్క వ్యాప్తి (amplitude) మీద ఆధారపడి యుండును. వ్యాప్తి ఎంత పెద్ద దయిన, తీవ్రత (intensity) అంత హెచ్చుగ నుండును. అందుచే ఈ సిద్ధాంతము ననుసరించి లోహమునందు గల ఎలక్ట్రానులు కాంతిపతన తరంగము (incident wave of light) యొక్క విద్యుత్ క్షేత్రము (electric field)చే ప్రభవింప చేయబడును. అలజడి, ఆందోళనము (disturbance) ఉధృతమైనచో, ఎలక్ట్రానులు (విద్యుత్పరమాణువులు) ఉద్గార మొందవచ్చును. దీనినిబట్టి తరంగము యొక్క వ్యాప్తి ఉన్నతమైన కొలదియు, కాంతియొక్క తీవ్రతగూడ అధికమగును. ఈ నిర్ణయము పైన పేర్కొనిన మూడవ సూత్రముతో ఏకీభవించదు. ఎలక్ట్రాను మొట్టమొదటి ప్రచోదనమును (impulse) స్వీకరించినప్పుడు, అది బయటకు వెడలగొట్టబడక (eject), కాంతివలన అది చాలకాలము వరకు ప్రభవింప బడును; అప్పుడు దానిశక్తి క్రమముగా పెరుగుచుండు నని ఊహించినచో, అట్టి సమయమున, ఎలక్ట్రాను, లోహో పరితలము (metallic surface) నుండి బయల్వెడలుటకు కొంత కాలవ్యవధి జరిగిన పిమ్మటనే, అవసరమైనంత శక్తిని అది సమీకరించుకొనును. పైన పేర్కొనిన నాల్గవ సూత్రమునందు పరిశీలింపబడిన విషయములకు ఈ ఫలితము విరుద్ధముగ నున్నది. ఈ విధముగా ఫోటో ఎలక్ట్రిక్ ఎఫెక్టును గురించిన విషయములలో దేనిని గురించి యైనను తరంగసిద్ధాంతము సహేతుకముగ వివరింప జాలదు. అట్టి తరుణమున ఈ శతాబ్దములో జీవించి యున్న మహామేధావియగు ఐన్ స్టెయిను మహాశయుడు ఈ సమస్యపై శాస్త్రసిద్ధాంత విధానమును నూతన మార్గమునకు మరల్చెను. ఆతడు ప్లాంక్ ప్రతిపాదించిన 'పరిమాణ సంభావితము' (quantum hypothesis)ను అన్వయించి, కాంతి పదార్థముతో (matter) సంపర్కము చెందునపుడు, అది అణువుల రూపములో వర్తించు నని ఆతడు సూచించెను. ఆతని సిద్ధాంతము ననుసరించి ఏకవర్ణ కాంతి (monochromatic light or light of single frequency or colour) - “y” అనునది 'hv' అను పరమాణువుల సమూహముతో నిండియుండును. ఈ పరమాణువులు తేజఃఖండము లని (photons) తెలియు చున్నవి. ఇచ్చట h అనునది 'సర్వసామాన్య స్థిర పరినూణము' (universal constant) అని చెప్పబడుచున్నది. ఇదియే 'ప్లాంక్ కాన్ట్సాంట్ ఆఫ్ యాక్షన్' (Planck's Constant of action) అని కూడ పిలువబడు చున్నది. ఈ ఊహా పరికల్పన పై (hypothesis) ఆధారపడిన గాఢమగు ఏకవర్ణ కాంతికిరణము (intense beam of monochro-matic light) నందు పెక్కు ఖండము లుండుననియు, అవి యన్నియు సమానమైన శక్తిని కలిగియుండు ననియు తెలియుచున్నది. ఈ తేజఃఖండములలో నొక తేజఃఖండము లోహము నందు గల ఎలక్ట్రానును ఢీకొన్నపుడు, తేజఃఖండము తన శక్తి నంతయు ఎలక్ట్రానునకు సంక్రమింప జేసి, అట్లు సంక్రమింపజేయు విధానములో అది అదృశ్యమగును. తేజఃఖండమునుండి శక్తిని స్వీకరించిన ఎలక్ట్రాను అధికతర వేగముతో ప్రయాణించును. ఎలక్ట్రాను కొంత శక్తితో లోహమునకు బంధింపబడి యుండుటచే, ఎలక్ట్రానునకు సంక్రమించిన శక్తిలో కొంత భాగము ఈ ఆకర్షణ శక్తిని అధిగమించుటయందు వ్యయ మగును. ఇట్లు సంక్రమించిన శక్తి లో ఏ కొంత భాగ మైనను ఎలక్ట్రానులో మిగిలి యున్నచో, ఆ శక్తి శేషించిన శక్తితో సహా బయటకు వచ్చివేయును. గణితశాస్త్ర పరిభాషలో ఈ విధానము క్రింది సమీకరణ రూపములో వర్ణింపబడును. దీనినే “ఐన్ స్టెయిన్ ఛాయా విద్యుత్సమీకరణ (Eienstein's Equation of Photo-electric effect)” మని పేరిడిరి.
hv=E+P.
E అనగా ఉద్గార మొందిన ఎలక్ట్రానుయొక్క శక్తిగను, P అనగా లోహము యొక్క ఆకర్షణశక్తిని అధిగమించుటలో వ్యయమగు శక్తిగను తెలిసికొనవలయును. రెండవది లోహము యొక్క వ్యాపార ధర్మము (work function) అని పిలువబడుచున్నది.
ఈ ముఖ్యసిద్ధాంతమును 1905 వ సం॥లో ఐన్ స్టెయిను ప్రతిపాదించి యుండెను. ఏత త్ఫలితముగా ఆతనికి 'నోబెల్' బహుమాన మీయబడెను. ఈ సిద్ధాంత ప్రాతిపదికపై ఛాయా విద్యుత్తుకు సంబంధించిన అంశము లన్నియు వివరించుట సుసాధ్య మగును. తేజఃఖండముల తరచుదనమును బట్టి వాటి శక్తి కూడ ఇనుమడించును. నీలి కాంతిగల తేజః ఖండములు అరుణకాంతి తేజః ఖండముల కంటె ఎక్కువ శక్తిమంతముగ నుండును. అతి నీలలోహిత తేజఃఖండముల యొక్క శక్తి ఇంకను అధికముగ నుండును. ఏ రంగునకు చెందిన ఏక వర్ణకాంతి (monochromatic light) యందైనను తేజఃఖండము లుండును. ఈ తేజః ఖండము లన్నియు సమానమైన శక్తి గలవి. అందుచే బయల్వెడలు ఛాయా విద్యుత్కణములు గరిష్ఠశక్తి - కాంతి కిరణము (beam) యొక్క తీవ్రత ఎంతగా నున్నను - పతన కిరణము (incident light) యొక్క రంగుచే నిర్ధరింపబడును. కాంతికిరణము యొక్క తీవ్రత ఛాయా విద్యుత్కణముల యొక్క సంఖ్యను సహజమైన విధానములో అధికమునే చేయును. వేర్వేరు లోహాదులను గురించిన వ్యాపార ధర్మము (work function) వేర్వేరు విధములుగా నుండును. కాంతి యొక్క తరచుదనము చాల తక్కువగా నున్నచో— ఉదా : అరుణకాంతి యందు వలె - విద్యుత్కణములు (ఎలక్ట్రానులు) లోహముల యొక్క ఆకర్షణ శక్తిని అధిగమించుటకు చాలినంత శక్తిని సంపాదింప లేవు; అందుచే అందుండి బయటపడ జాలవు. ఈ కారణముచే, అరుణకాంతి సహాయము వలన 'ఛాయా విద్యుత్ఫలితము'ను (photo electric effect) పరిశీలించుట దుర్లభ మగును. ఈ అభిప్రాయమును బట్టి, ఛాయా విద్యుత్ఫలితమును ఉత్పన్నము చేయుటలో అతి నీలలోహిత కిరణములకంటే, 'క్ష' (X) కిరణములే అధిక తరమైన శక్తి సామర్థ్యములు కలిగి యుండును.
సిద్ధాంత ధృవీకరణము : ప్రయోగాత్మక పరిశీలనముల యందు ఐన్స్టెయిను సిద్ధాంతము బహుయుక్తముగ సరిపడినది. అందుచే దాని శ్రేష్ఠత్వమును గూర్చి గాని, సౌష్ఠవమును గూర్చి గాని, ఎట్టి అనుమానములు కలుగలేదు; తేజఃకణవాదమును (Quantum Theory of light) ఆమోదించుట యందు గూడ ఎట్టి సంకోచములు వ్యక్తీకరింపబడి యుండలేదు. పరిమాణాత్మక (Quantitative) విధానము ననుసరించి ఈ సిద్ధాంతమును ధృవపరచుటకు కచ్చితమైన కొన్ని ప్రయోగములను విధిగా జరపుట అవసరమయ్యెను. 1916 సం. లో ఈ ప్రయోగములను మిల్లికన్ (Millikan) అను శాస్త్రజ్ఞుడు జరపెను. ఆతడు గావించిన పరిశోధన కృషి వలన ఐన్స్టెయిన్ చేసిన ప్రతిపాదనములకు ఇతోధికముగా బలము చేకూరెను.
ఛాయా విద్యుత్సిద్ధాంత అన్వయము : ఛాయా విద్యుత్సిద్ధాంతము (Photo-electric cffect) శాస్త్ర పరిశోధనా క్షేత్రము నందును. పారిశ్రామిక రంగము నందును విస్తృతముగ అన్వయింపబడు చున్నది. ఈ సిద్ధాంతమునందు కాంతి కిరణము యొక్క శక్తి ఛాయా విద్యుత్కణముల శక్తిలోనికి పరివర్తనము చెందగలదను ప్రాథమిక విషయముపై ఇవి యన్నియు అధారపడి యుండును. ఈ సిద్ధాంతమును ఆచరణము నందుంచు తంత్రము (device) "ఛాయా విద్యుత్కణమ" ని (photo-electric cell) పిలువబడు చున్నది. ఛాయాకణ (photo cell) మనగా విలువ కట్టబడిన గ్లాసు బల్బు (evaluated glass bulb) అని సులభముగా అర్థము చెప్పవచ్చును. ఈ గాజు బల్బునందు అర్ధస్తూపాకార ఉపరి తలముగల యొక వెండి ఋణధ్రువము (Cathode) అమర్చబడి యుండును. పొటాసియమ్ లేక సీజియమ్ (Potassium or Caesium) అను పదార్థములతో ఇది పూత పూయబడును. ఈ పదార్ధములు ఛాయా గ్రాహకము లని (photo-sensitive) తెలియబడు చున్నవి. స్తూపము (cylinder) యొక్క అక్షము (axis) పొడవునా ఒక సన్నని కడ్డీ అమర్చబడి యుండును. ఈ కడ్డీ 'ధనధ్రువము' (anode) గా వ్యవహరించును. (1 వ పటమును చూడుడు). ఈకణము యొక్క ప్రత్యక్షోప యోగమునందు బ్యాటరీ నుండి వెడలు దాదాపు 100 వోల్టుల వ్యత్యాసము ధనధ్రువ, ఋణ ధ్రువముల నడుమ ఉపనయించ బడును (applied). కాంతి కిరణము స్తూపాకార ఉపరితలముపై పడినపుడు, ఛాయా విద్యుత్కణములు ఉద్గారము నొంది, ఉపనయించబడిన వోల్టేజి కారణముగా, అవి ధనధ్రువము దిశగా ప్రయాణించును.
చిత్రము - 227
పటము - 3
ఈ విధముగా ఉత్పన్నమైన విద్యుత్కణములు సర్యూటు (circuit) లో సంధించబడిన 'ఎమ్మీటరు' (Ammeter) చే కొలువబడుటకు అవకాశముండును. ఈ విద్యుత్కణము యొక్క పాటవము ఋణధ్రువము నుండి ధనధ్రువమునకు ప్రయాణించు విద్యుత్కణముల సంఖ్యపై నాధారపడి యుండును. ఈ కారణముచే ఆ పాటవము కాంతి కిరణము యొక్క తీవ్రతచే నిర్థారించ బడును. ఈ విధముగా చాయాకణము కాంతియొక్క తీవ్రతలను కొలచుట కుపయోగపడగలదు. ఆధునిక ఫిలిం పరిశ్రమయందు శబ్దోత్పత్తి ప్రక్రియగూడ ఛాయాకణ ప్రయోగముపైననే ఆధారపడి యున్నది. టెలివిజను సాంకేతిక జ్ఞానముగూడ ఈ యాంత్రిక ప్రక్రియపైననే ముఖ్యముగా నాధారపడి యుండును. కన్నపుదొంగ ఉపయోగించు అలారమునందును, కాంతిచే కంట్రోలు చేయబడు ప్రసారముల (light - Controlled relays) యందును, పలురకముల ఆటోమాటిక్ యంత్రముల యందును, ఫొటో-టెలిగ్రాఫిక్ యంత్ర సముదాయమునందును, ఛాయాకణము లుపయోగపడును. ఫోటోమీటర్లు, స్పెక్ట్రో-ఫొటోమీటర్లు గూడ ఈ తరగతికి చెందినవే. ఈ తంత్రములయొక్క నిత్య వ్యవహార వివరములను గూర్చి పరిశీలన జరపుటకు ఇచ్చట సాధ్యపడదు. అవి యన్నియు భౌతిక శాస్త్రమునకు బీజభూతమైన ఛాయా విద్యు
త్సిద్ధాంతమునే ప్రయోగించు ననెడి విషయమును మాత్రము జ్ఞప్తియందుంచుకొనవలెను.
వి. టి. దే.