التأثير الكهروضوئي: التعريف والمعادلة والتجربة

انقلب كل شيء تم تعلمه في الفيزياء الكلاسيكية رأساً على عقب عندما اكتشف الفيزيائيون عوالم أصغر واكتشفوا التأثيرات الكمومية. وكان من بين أول هذه الاكتشافات التأثير الكهروضوئي. في أوائل القرن العشرين ، فشلت نتائج هذا التأثير في مطابقة التوقعات الكلاسيكية وكانت قابلة للتفسير فقط من خلال نظرية الكم ، مما أدى إلى فتح عالم جديد تمامًا للفيزيائيين.

اليوم ، للتأثير الكهروضوئي العديد من التطبيقات العملية أيضًا. من التصوير الطبي إلى إنتاج الطاقة النظيفة ، فإن اكتشاف وتطبيق هذا التأثير له الآن آثار تتجاوز مجرد فهم العلم.

عندما يصطدم الضوء أو الإشعاع الكهرومغناطيسي بمادة مثل سطح معدني ، فإن هذه المادة تنبعث أحيانًا إلكترونات ، تسمىالضوئية. هذا في الأساس لأن الذرات الموجودة في المادة تمتص الإشعاع كطاقة. تمتص الإلكترونات الموجودة في الذرات الإشعاع بالقفز إلى مستويات طاقة أعلى. إذا كانت الطاقة الممتصة عالية بما يكفي ، تترك الإلكترونات ذرة منزلها بالكامل.

تسمى هذه العملية أحيانًا أيضًاالانبعاث الضوئيلأن الفوتونات الساقطة (اسم آخر لجسيمات الضوء) هي السبب المباشر لانبعاث الإلكترونات. نظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، فإن اللوحة المعدنية التي انبعثت منها تترك متأينة.

لكن أكثر ما يميز التأثير الكهروضوئي هو أنه لا يتبع التوقعات الكلاسيكية. الطريقة التي انبعثت بها الإلكترونات ، والعدد المنبعث ، وكيف تغير ذلك مع شدة الضوء ، كل ذلك ترك العلماء في حيرة من أمرهم في البداية.

تضمنت التوقعات الأصلية لنتائج التأثير الكهروضوئي المأخوذة من الفيزياء الكلاسيكية ما يلي:

1. تنتقل الطاقة من الإشعاع الساقط إلى الإلكترونات. كان من المفترض أنه مهما كانت الطاقة الواقعة على المادة سيتم امتصاصها مباشرة بواسطة الإلكترونات في الذرات ، بغض النظر عن الطول الموجي. هذا منطقي في نموذج الميكانيكا الكلاسيكي: كل ما تصبه في الدلو يملأ الدلو بهذا المقدار.
2. يجب أن تؤدي التغييرات في شدة الضوء إلى تغييرات في الطاقة الحركية للإلكترونات. إذا افترضنا أن الإلكترونات تمتص أي إشعاع يقع عليها ، فإن المزيد من نفس الإشعاع يجب أن يمنحها المزيد من الطاقة وفقًا لذلك. بمجرد أن تترك الإلكترونات حدود ذراتها ، تُرى تلك الطاقة في شكل طاقة حركية.
3. يجب أن ينتج عن الضوء منخفض الشدة فاصل زمني بين امتصاص الضوء وانبعاث الإلكترونات. قد يكون هذا لأنه كان من المفترض أن تكتسب الإلكترونات طاقة كافية لتترك ذرة منزلها ، والضوء منخفض الكثافة يشبه إضافة الطاقة إلى "دلو" طاقتها ببطء أكبر. يستغرق الملء وقتًا أطول ، وبالتالي يجب أن يستغرق وقتًا أطول قبل أن تحصل الإلكترونات على طاقة كافية ليتم انبعاثها.

النتائج الفعلية لم تكن متسقة على الإطلاق مع التوقعات. وشمل ذلك ما يلي:

1. تم إطلاق الإلكترونات فقط عندما وصل الضوء الساقط إلى تردد عتبة أو تجاوزه. لم يحدث أي انبعاث أقل من هذا التردد. لا يهم ما إذا كانت الشدة مرتفعة أم منخفضة. لسبب ما ، كان التردد أو الطول الموجي للضوء نفسه أكثر أهمية.
2. لم تسفر التغييرات في الشدة عن تغييرات في الطاقة الحركية للإلكترونات. لقد غيروا فقط عدد الإلكترونات المنبعثة. بمجرد الوصول إلى تردد العتبة ، لا تؤدي زيادة الكثافة إلى إضافة المزيد من الطاقة لكل إلكترون منبعث على الإطلاق. بدلاً من ذلك ، انتهى بهم الأمر جميعًا بنفس الطاقة الحركية ؛ كان هناك المزيد منهم.
3. لم يكن هناك فارق زمني عند شدة منخفضة. يبدو أنه لم يكن هناك وقت مطلوب "لملء دلو الطاقة" لأي إلكترون معين. إذا كان من المقرر أن ينبعث إلكترون ، فإنه ينبعث على الفور. لم يكن للكثافة المنخفضة أي تأثير على الطاقة الحركية أو التأخير ؛ لقد أدى ببساطة إلى إصدار عدد أقل من الإلكترونات.

كانت الطريقة الوحيدة لشرح هذه الظاهرة هي استدعاء ميكانيكا الكم. فكر في شعاع من الضوء ليس كموجة ، ولكن كمجموعة من حزم الموجات المنفصلة تسمى الفوتونات. تحتوي جميع الفوتونات على قيم طاقة مميزة تتوافق مع التردد والطول الموجي للضوء ، كما هو موضح في ازدواجية الموجة والجسيم.

بالإضافة إلى ذلك ، ضع في اعتبارك أن الإلكترونات قادرة فقط على القفز بين حالات الطاقة المنفصلة. يمكن أن يكون لها قيم طاقة محددة فقط ، ولكن لا توجد أي قيم بينهما. الآن يمكن تفسير الظواهر المرصودة على النحو التالي:

1. يتم إطلاق الإلكترونات فقط عندما تمتص قيم طاقة كافية ومحددة للغاية. سيتم إطلاق أي إلكترون يحصل على حزمة الطاقة المناسبة (طاقة الفوتون). لا يتم تحرير أي منها إذا كان تواتر الضوء الساقط منخفضًا جدًا بغض النظر عن الشدة لأنه لا توجد حزم طاقة كبيرة بشكل فردي بما يكفي.
2. بمجرد تجاوز تردد العتبة ، تؤدي زيادة الكثافة إلى زيادة عدد الإلكترونات فقط المنبعثة وليس طاقة الإلكترونات نفسها لأن كل إلكترون منبعث يمتص واحدًا منفصلاً الفوتون. الكثافة الأكبر تعني المزيد من الفوتونات ، وبالتالي المزيد من الإلكترونات الضوئية.
3. لا يوجد تأخير زمني حتى عند الشدة المنخفضة طالما أن التردد مرتفع بما يكفي لأنه بمجرد أن يحصل الإلكترون على حزمة الطاقة المناسبة ، يتم إطلاقه. ينتج عن الكثافة المنخفضة فقط إلكترونات أقل.

أحد المفاهيم المهمة المتعلقة بالتأثير الكهروضوئي هو وظيفة العمل. تُعرف أيضًا باسم طاقة ربط الإلكترون ، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون من مادة صلبة.

يتم إعطاء صيغة دالة العمل من خلال:

أين-eهي شحنة الإلكترون ،ϕهو الجهد الكهروستاتيكي في الفراغ المجاور للسطح وههو مستوى فيرمي للإلكترونات في المادة.

يُقاس الجهد الكهروستاتيكي بالفولت وهو مقياس للطاقة الكامنة الكهربية لكل وحدة شحنة. ومن هنا المصطلح الأول في التعبير ،-eϕ، هي طاقة الوضع الكهربائي للإلكترون بالقرب من سطح المادة.

يمكن اعتبار مستوى فيرمي على أنه طاقة الإلكترون الخارجي عندما تكون الذرة في حالتها الأساسية.

يرتبط تردد العتبة ارتباطًا وثيقًا بوظيفة العمل. هذا هو الحد الأدنى من التردد الذي تتسبب فيه الفوتونات الساقطة في انبعاث الإلكترونات. يرتبط التردد ارتباطًا مباشرًا بالطاقة (التردد الأعلى يتوافق مع طاقة أعلى) ، ولهذا السبب يجب الوصول إلى الحد الأدنى من التردد.

فوق تردد العتبة ، تعتمد الطاقة الحركية للإلكترونات على التردد وليس شدة الضوء. في الأساس ، سيتم نقل طاقة فوتون واحد بالكامل إلى إلكترون واحد. يتم استخدام قدر معين من هذه الطاقة لإخراج الإلكترون ، والباقي هو طاقته الحركية. مرة أخرى ، تعني الشدة الأكبر فقط انبعاث المزيد من الإلكترونات ، وليس أن تلك المنبعثة ستحتوي على المزيد من الطاقة.

يمكن العثور على الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات المنبعثة من خلال المعادلة التالية:

أينك_الأعلىهي الطاقة الحركية القصوى للإلكترون الضوئي ،حثابت بلانك = 6.62607004 × 10^-34 م²كجم / ثانية ،Fهو تردد الضوء وF₀هو تردد العتبة.

يمكنك التفكير في اكتشاف التأثير الكهروضوئي على أنه يحدث على مرحلتين. أولاً اكتشاف انبعاث الإلكترونات الضوئية من مواد معينة نتيجة للضوء الساقط ، وثانيًا تحديد أن هذا التأثير لا يخضع للفيزياء الكلاسيكية على الإطلاق ، مما أدى إلى العديد من الأسس المهمة لفهمنا للكم. علم الميكانيكا.

لاحظ هاينريش هيرتز لأول مرة التأثير الكهروضوئي في عام 1887 أثناء إجراء التجارب باستخدام مولد فجوة الشرارة. اشتمل الإعداد على زوجين من الكرات المعدنية. ستحث الشرارات المتولدة بين المجموعة الأولى من الكرات الشرر على القفز بين المجموعة الثانية ، وبالتالي تعمل كمحول طاقة وجهاز استقبال. كان Hertz قادرًا على زيادة حساسية الإعداد من خلال تسليط الضوء عليه. بعد سنوات ، ج. اكتشف طومسون أن الحساسية المتزايدة ناتجة عن الضوء الذي يتسبب في طرد الإلكترونات.

بينما قرر مساعد هيرتز فيليب لينارد أن الشدة لم تؤثر على الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية ، كان روبرت ميليكان هو الذي اكتشف تردد الحد. لاحقًا ، كان أينشتاين قادرًا على تفسير الظاهرة الغريبة بافتراض تكميم الطاقة.

حصل ألبرت أينشتاين على جائزة نوبل عام 1921 لاكتشافه قانون الكهروضوئية تأثير ، وفاز ميليكان بجائزة نوبل في عام 1923 أيضًا عن العمل المتعلق بفهم الكهروضوئية تأثير.

للتأثير الكهروضوئي استخدامات عديدة. واحد من هؤلاء هو أنه يسمح للعلماء بالتحقيق في مستويات طاقة الإلكترون في المادة عن طريق تحديد تردد الحد الذي يؤدي فيه الضوء الساقط إلى الانبعاث. تم استخدام أنابيب مضاعفة ضوئية تستخدم هذا التأثير أيضًا في كاميرات التلفزيون القديمة.

من التطبيقات المفيدة جدًا للتأثير الكهروضوئي في بناء الألواح الشمسية. الألواح الشمسية عبارة عن صفائف من الخلايا الكهروضوئية ، وهي خلايا تستخدم الإلكترونات المقذوفة من المعادن بواسطة الإشعاع الشمسي لتوليد التيار. اعتبارًا من عام 2018 ، يتم توليد ما يقرب من 3 في المائة من طاقة العالم بواسطة الألواح الشمسية ، ولكن هذا الرقم موجود من المتوقع أن ينمو بشكل كبير خلال السنوات العديدة القادمة ، خاصة مع كفاءة هذه الألواح يزيد.

ولكن الأهم من ذلك كله ، أن اكتشاف وفهم التأثير الكهروضوئي وضع الأساس لمجال ميكانيكا الكم وفهمًا أفضل لطبيعة الضوء.

هناك العديد من التجارب التي يمكن إجراؤها في معمل الفيزياء التمهيدي لتوضيح التأثير الكهروضوئي. بعضها أكثر تعقيدًا من البعض الآخر.

تجربة بسيطة توضح التأثير الكهروضوئي باستخدام مكشاف كهربائي ومصباح UV-C يوفر ضوءًا فوق بنفسجي. ضع شحنة سالبة على المكشاف الكهربائي بحيث تنحرف الإبرة. ثم ، يلمع مصباح UV-C. سيطلق الضوء من المصباح الإلكترونات من المكشاف الكهربائي ويفرغها. يمكنك معرفة حدوث ذلك من خلال رؤية انحراف الإبرة يتناقص. لاحظ ، مع ذلك ، أنك إذا جربت نفس التجربة باستخدام مكشاف كهربائي موجب الشحنة ، فلن تنجح.

هناك العديد من الطرق الممكنة الأخرى لتجربة التأثير الكهروضوئي. تتضمن العديد من الإعدادات خلية ضوئية تتكون من أنود كبير ، عندما يصطدم بالضوء الساقط ، سيطلق إلكترونات يتم التقاطها بواسطة الكاثود. إذا كان هذا الإعداد متصلاً بمقياس الفولتميتر ، على سبيل المثال ، سيصبح التأثير الكهروضوئي واضحًا عندما ينتج عن تسليط الضوء جهدًا.

تسمح الإعدادات الأكثر تعقيدًا بقياس أكثر دقة وتسمح لك أيضًا بتحديد وظيفة العمل وترددات العتبة للمواد المختلفة. انظر قسم الموارد للحصول على الروابط.