BPSC 69वीं CCE प्रारंभिक सामान्य अध्ययन · प्रश्न 16 / 144

सही — A, प्रकाश ऊर्जा को विद्युत् ऊर्जा में बदलता है। फोटोइलेक्ट्रिक सेल — यानी फोटोसेल — वह उपकरण है जो आपतित विकिरण ऊर्जा को सीधे विद्युत् निर्गत में बदल देता है, और इसकी क्रियाविधि वही प्रकाश-विद्युत् प्रभाव है जिस पर 1887 में हाइनरिख़ हर्ट्ज़ की नज़र संयोग से पड़ी और जिसकी व्याख्या 1905 में अल्बर्ट आइंस्टाइन ने की। शास्त्रीय प्रकाश-उत्सर्जी सेल में काम करने वाले हिस्से निर्वातित काँच के बल्ब के भीतर बैठे होते हैं: कम कार्य-फलन वाले पदार्थ से लेपित अर्ध-बेलनाकार कैथोड — सीज़ियम, या सीज़ियम-ऐंटिमोनाइड, और सीज़ियम का कार्य-फलन लगभग 2.14 eV है, जो सामान्य धातुओं में सबसे कम है — धनात्मक विभव पर रखे पतले तार के ऐनोड के सामने होता है। उस कैथोड पर पड़ता प्रकाश एक-एक फोटॉन करके अवशोषित होता है, और hν ऊर्जा वाला हर फोटॉन अपनी पूरी ऊर्जा एक ही इलेक्ट्रॉन को सौंप देता है; यदि hν कार्य-फलन φ से अधिक हो तो इलेक्ट्रॉन निकल भागता है, जिसकी गतिज ऊर्जा अधिकतम hν − φ होती है। ऐनोड उन इलेक्ट्रॉनों को एकत्र कर लेता है, इसलिए बाहरी परिपथ में धारा बहती है, और चूँकि एक फोटॉन अधिक से अधिक एक इलेक्ट्रॉन मुक्त कर सकता है, इसलिए प्रकाश-धारा प्रकाश की तीव्रता के अनुपात में बढ़ती है — और यही इस सेल को प्रकाश मापने वाले तत्व के रूप में उपयोगी बनाता है। प्रकाश-वोल्टीय सेल, यानी लगभग 1.1 eV बैंड अंतराल वाला सिलिकॉन सौर सेल, जिसे 1954 में बेल प्रयोगशालाओं में पहली बार व्यावहारिक बनाया गया, उसी परिणाम तक अलग रास्ते से पहुँचता है: अवशोषित प्रकाश p-n संधि के आर-पार इलेक्ट्रॉन-कोटर युग्म बनाता है और संधि का अंतर्निहित क्षेत्र उन्हें दिष्ट धारा के रूप में बाहर बहा देता है, न कोई निर्वात चाहिए और न कोई बाहरी आपूर्ति। इस कुल का हर सदस्य प्रकाश भीतर, बिजली बाहर वाला है — और रूपांतरण की यही दिशा इस प्रश्न की परीक्षा है, तथा केवल विकल्प (a) उसे कहता है।

• (b)विद्युत् ऊर्जा को प्रकाश ऊर्जा में बदलता है — यह बिलकुल उलटा है, और यह किसी लैंप का वर्णन है, सेल का नहीं। तापदीप्त बल्ब टंगस्टन के तंतु को लगभग 2,500–3,000 K तक गर्म करता है जब तक वह चमकने न लगे; प्रतिदीप्त नलिका पारे की वाष्प को उत्तेजित करती है, जिसके पराबैंगनी निर्गत को फ़ॉस्फ़र की परत दृश्य प्रकाश के रूप में पुनः उत्सर्जित करती है; और प्रकाश-उत्सर्जक डायोड अग्रदिशिक अभिनत p-n संधि के आर-पार धारा चलाता है, ताकि पुनर्संयोजन करते इलेक्ट्रॉन और कोटर लगभग बैंड अंतराल के बराबर ऊर्जा के फोटॉन छोड़ें। जो अभ्यर्थी केवल यह दर्ज करता है कि नाम में 'फोटो' और 'इलेक्ट्रिक' दोनों हैं, वह यह जाँचे बिना ही इसे चुन सकता है कि तीर किस ओर संकेत कर रहा है।
• (c)प्रकाश ऊर्जा का भंडारण करता है — कोई उपकरण प्रकाश को प्रकाश के रूप में भंडारित नहीं करता — जो विकिरण अवशोषित नहीं होता वह बस आगे बढ़ जाता है। भंडारण का अर्थ सदा यही होता है कि विकिरण ऊर्जा को पहले किसी दूसरे रूप में बदला जाए: रासायनिक रूप से, जैसा प्रकाश-संश्लेषण करता है जब वह आपतित सूर्य-प्रकाश का मोटे तौर पर 1–2 प्रतिशत कार्बोहाइड्रेट में बाँध लेता है, या विद्युत् रूप से, जैसा कोई सौर संस्थापन करता है जब उसके पैनल किसी बैटरी को आवेशित करते हैं। इसके सबसे निकट की सच्ची परिघटना स्फुरदीप्ति है, जिसमें अँधेरे में चमकने वाला पदार्थ अवशोषित ऊर्जा को किसी अर्ध-स्थायी उत्तेजित अवस्था में थामे रखता है और धीरे-धीरे छोड़ता है, और वह भी प्रकाश का भंडारण नहीं, अवशोषण के बाद पुनः उत्सर्जन है। इस कुल की किसी भी चीज़ को फोटोइलेक्ट्रिक सेल नहीं कहा जाता।
• (d)उपर्युक्त में से कोई नहीं — 'उपर्युक्त में से कोई नहीं' केवल तभी टिक सकता है जब (a), (b) और (c) — तीनों विफल हों। विकल्प (a) इस उपकरण का मानक पाठ्यपुस्तकीय वर्णन है — प्रकाश-विद्युत् प्रभाव, जो प्रकाश ऊर्जा को विद्युत् ऊर्जा में बदलता है — इसलिए (a) को ठीक से पढ़ते ही यह विकल्प उपलब्ध नहीं रह जाता। जिस प्रश्नपत्र में ग़लत उत्तर पर एक-तिहाई अंक कटता हो, वहाँ जब एक विकल्प पाठ्यपुस्तक-सटीक हो तब 'उपर्युक्त में से कोई नहीं' को बचाव के रूप में प्रयोग करना महँगी आदत है।

प्रकाश-विद्युत् प्रभाव किसी सतह से इलेक्ट्रॉनों का वह उत्सर्जन है जो उस पर विद्युत्-चुंबकीय विकिरण पड़ने पर होता है। इसकी पहेली — जो विशुद्ध तरंग-भौतिकी में हल नहीं होती — यह है कि उत्सर्जन प्रकाश की तीव्रता पर नहीं, उसकी आवृत्ति पर निर्भर करता है: किसी देहली आवृत्ति से नीचे कुछ भी उत्सर्जित नहीं होता, चाहे सतह पर कितनी ही तीव्रता से या कितनी ही देर प्रकाश डाला जाए, और उस देहली से ऊपर इलेक्ट्रॉन बिना किसी मापन-योग्य विलंब के प्रकट हो जाते हैं। आइंस्टाइन ने 1905 में इसे प्रकाश को hν ऊर्जा के क्वांटा मानकर सुलझाया — एक फोटॉन एक इलेक्ट्रॉन द्वारा अवशोषित — जिससे प्रकाश-विद्युत् समीकरण K_max = hν − φ मिला, जहाँ कार्य-फलन φ वह न्यूनतम ऊर्जा है जो उस विशेष पदार्थ से इलेक्ट्रॉन खींच निकालने के लिए चाहिए। इस प्रभाव और इसके अर्धचालक सजातियों पर बने उपकरणों को मिलाकर फोटोसेल कहा जाता है: प्रकाश-उत्सर्जी सेल इलेक्ट्रॉनों को निर्वात में फेंकते हैं, प्रकाश-वोल्टीय सेल p-n संधि के आर-पार विद्युत्-वाहक बल पैदा करते हैं, और कैडमियम-सल्फ़ाइड LDR जैसे प्रकाश-चालकीय सेल प्रकाश पड़ने पर बस अपना प्रतिरोध बदल देते हैं। तीनों प्रकाश को निवेश के रूप में लेते हैं और विद्युत् निर्गत देते हैं।

ऊर्जा-रूपांतरण के प्रश्नों में विभेदक ठीक एक होता है — कौन-सा रूप भीतर जाता है और कौन-सा बाहर आता है — और यह तय होते ही विकल्प ढह जाते हैं। शब्द को खोलिए: 'फोटो' निवेश है, प्रकाश; 'इलेक्ट्रिक' निर्गत है; और सेल स्रोत होता है, ग्राहक नहीं। फिर उन उपकरणों से मिलाकर देखिए जिन्हें आप उनके रूपांतरण से पहले से जानते हैं। डायनेमो यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत् में बदलता है, मोटर विद्युत् को यांत्रिक में, माइक्रोफ़ोन ध्वनि को विद्युत् में, लाउडस्पीकर विद्युत् को ध्वनि में, तापयुग्म ऊष्मा को विद्युत् में, और LED विद्युत् को प्रकाश में। उस सारणी में फोटोसेल का साथी LED है, जो उसी तीर के दूसरे छोर पर बैठा है — और ठीक इसीलिए विकल्प (b) सूची में दूसरे स्थान पर रखा गया है। वह वही दो रूप उलटे क्रम में सामने रखता है, और जल्दी में पढ़ता अभ्यर्थी दिशा नहीं, परिचित शब्द पहचान लेता है। विकल्प (c) एक दूसरे भ्रम को टटोलता है, यह विचार कि जो उपकरण प्रकाश पर प्रतिक्रिया करता है वह उसे सोखकर थामे रखता होगा; प्रकाश ऊर्जा सचमुच जहाँ भंडारित होती है वह एक रासायनिक बंध है, और ऐसा करने वाली प्रक्रिया प्रकाश-संश्लेषण है, फोटोसेल नहीं। अंत में ध्यान दीजिए कि उत्तर इस पर निर्भर नहीं है कि प्रश्न-रचयिता के मन में किस प्रकार का फोटोसेल था — प्रकाश-उत्सर्जी, प्रकाश-वोल्टीय और प्रकाश-चालकीय, तीनों एक ही दिशा में रूपांतरण करते हैं।

• हाइनरिख़ हर्ट्ज़ ने 1887 में विद्युत्-चुंबकीय तरंगें उत्पन्न करते समय इस प्रभाव को देखा; आइंस्टाइन ने 1905 में प्रकाश-क्वांटा से इसकी व्याख्या की, और इसी कार्य के लिए — आपेक्षिकता के लिए नहीं — उन्हें 1921 का भौतिकी नोबेल पुरस्कार दिया गया, जो 1922 में प्रदान हुआ।
• आइंस्टाइन का प्रकाश-विद्युत् समीकरण K_max = hν − φ है, जिसमें प्लांक नियतांक h = 6.626 × 10⁻³⁴ जूल-सेकंड है। देहली आवृत्ति ν₀ = φ/h से नीचे किसी भी तीव्रता पर कोई इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित नहीं होता; उससे ऊपर अधिकतम गतिज ऊर्जा केवल आवृत्ति पर निर्भर करती है, जबकि प्रति सेकंड उत्सर्जित प्रकाश-इलेक्ट्रॉनों की संख्या तीव्रता के अनुपात में होती है।
• कार्य-फलन तय करता है कि कौन-सा प्रकाश काम कर पाएगा: सीज़ियम का लगभग 2.14 eV, इसलिए साधारण दृश्य प्रकाश ही पर्याप्त है और सीज़ियम-लेपित प्रकाश-कैथोड मानक बन गए; ज़िंक का लगभग 4.3 eV और प्लैटिनम का लगभग 5.65 eV, जिनके लिए पराबैंगनी चाहिए।
• इस सिद्धांत पर उपकरणों के तीन कुल चलते हैं — प्रकाश-उत्सर्जी (निर्वात फोटोसेल), प्रकाश-वोल्टीय (सिलिकॉन सौर सेल, बैंड अंतराल लगभग 1.1 eV, जिसे 1954 में बेल प्रयोगशालाओं में चैपिन, फ़ुलर तथा पीयर्सन ने मोटे तौर पर 6 प्रतिशत दक्षता पर पहली बार व्यावहारिक बनाया), और प्रकाश-चालकीय (कैडमियम-सल्फ़ाइड प्रकाश-निर्भर प्रतिरोधक)।
• उपयोग कैमरे के प्रकाश-मापी, स्वचालित पथ-प्रकाश तथा चोर या अग्नि की चेतावनी-प्रणालियों से लेकर सिनेमा फ़िल्म पर प्रकाशिक ध्वनि-पट्टी पढ़ने, विकिरण संसूचन में प्रकाश-गुणक नलिकाओं, और छत पर लगी सौर पंक्तियों तक जाते हैं — जिनका मूल निर्गत दिष्ट धारा होती है और जिसे ग्रिड तक पहुँचने से पहले इन्वर्टर प्रत्यावर्ती धारा में बदल देता है।

• तीर को उलट देना — 'फोटोइलेक्ट्रिक' को प्रकाश पैदा करने वाला उपकरण पढ़कर LED वाला विकल्प चुन लेना; सेल बिजली का स्रोत होता है, प्रकाश का नहीं
• यह मान लेना कि अधिक तीव्र प्रकाश तेज़ इलेक्ट्रॉन देता है: तीव्रता प्रति सेकंड प्रकाश-इलेक्ट्रॉनों की संख्या बढ़ाती है, जबकि उनकी अधिकतम गतिज ऊर्जा केवल आवृत्ति से तय होती है, और देहली आवृत्ति से नीचे कोई भी तीव्रता काम नहीं करती
• यह मान लेना कि सौर पैनल सीधे प्रत्यावर्ती धारा देता है — प्रकाश-वोल्टीय निर्गत दिष्ट धारा है, और उसे AC ग्रिड पर काम लायक़ इन्वर्टर बनाता है

BPSC इसे परिभाषा के स्तर पर ही रखता है — एक-पंक्ति प्रश्न जो किसी उपकरण का नाम लेता है और चार ऊर्जा-रूपांतरण वाक्यांश देता है, जिसका उत्तर यह जानते ही सेकंडों में दिया जा सकता है कि कौन-सा रूप भीतर जाता है और कौन-सा बाहर आता है; और 69वीं का प्रश्नपत्र ऐसी कई एक-पंक्ति विज्ञान मदें एक के बाद एक चलाता है। UPSC सपाट परिभाषा लगभग कभी नहीं पूछता; वह उसी भौतिकी को या तो सौर प्रौद्योगिकी पर कथन-समुच्चय में लपेट देता है (प्रकाश-वोल्टीय बनाम सौर तापीय, DC बनाम AC निर्गत, घरेलू विनिर्माण आधार) या वैज्ञानिक-और-खोज वाले सुमेलन में, जिसमें 'प्रकाश-विद्युत् प्रभाव : अल्बर्ट आइंस्टाइन' परखे जाने वाले युग्मों में से एक होता है।

• अभ्यास — वास्तविक विगत वर्ष प्रश्न नहीं

  निम्नलिखित में से कौन-सा एक उपकरण विद्युत् ऊर्जा को प्रकाश ऊर्जा में बदलता है?

  • (a)फोटोइलेक्ट्रिक सेल
  • (b)प्रकाश-उत्सर्जक डायोड
  • (c)तापयुग्म
  • (d)डायनेमो

  उत्तर(b) प्रकाश-उत्सर्जक डायोड — अग्रदिशिक अभिनत p-n संधि, जिसमें पुनर्संयोजन करते इलेक्ट्रॉन तथा कोटर फोटॉन छोड़ते हैं; फोटोसेल, तापयुग्म और डायनेमो — तीनों बिजली पैदा करते हैं, क्रमशः प्रकाश, ऊष्मा और यांत्रिक गति से।

• अभ्यास — वास्तविक विगत वर्ष प्रश्न नहीं

  प्रकाश-विद्युत् प्रभाव में, यदि आपतित प्रकाश की आवृत्ति वही रखते हुए उसकी तीव्रता बढ़ा दी जाए, तो क्या बढ़ता है?

  • (a)उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों की अधिकतम गतिज ऊर्जा
  • (b)प्रति सेकंड उत्सर्जित प्रकाश-इलेक्ट्रॉनों की संख्या
  • (c)धातु की देहली आवृत्ति
  • (d)धातु का कार्य-फलन

  उत्तर(b) प्रति सेकंड उत्सर्जित प्रकाश-इलेक्ट्रॉनों की संख्या — अधिक तीव्रता का अर्थ है प्रति सेकंड अधिक फोटॉन, इसलिए अधिक इलेक्ट्रॉन निकलते हैं; अधिकतम गतिज ऊर्जा hν − φ है और केवल आवृत्ति पर निर्भर करती है, जबकि देहली आवृत्ति तथा कार्य-फलन धातु के गुण हैं।