مبادئ فيزيائية

كيف تعلم الظاهرة الكهروضوئية؟

Photoelectric Effect

الظاهرة الكهروضوئية photoelectric effect هي ظاهرة يتم فيها انتزاع الالكترونات من سطح المعدن عندما يسلط عليه الضوء. تسمى الإلكترونات المتحررة بهذه الطريقة بالإلكترونات الضوئية.

تُعزى هذه الظاهرة إلى انتقال الطاقة من الفوتونات (الضوء) إلى الإلكترونات المرتبطة بسطح المعدن. على الرغم من أن تحرير للإلكترونات الضوئية يمكن ملاحظته عن طريق تسليط أشعة الضوء على أي مادة، إلا أنه يمكن ملاحظته بسهولة في المعادن (والموصلات الأخرى). والسبب وراء ذلك هو أن الضوء الساقط يحرر الإلكترونات من السطح المعدني لان ارتباطه به يكون اقل نسبيا.

Photoelectric Effect

اعلانات جوجل

الظاهرة الكهروضوئية photoelectric effect: عندما يسقط الضوء على سطح معدني، تطير الإلكترونات بعيدًا عن الأخير.

كيف فشل علماء الفيزياء في القرن التاسع عشر في تفسير الظاهرة الكهروضوئية باستخدام الفيزياء الكلاسيكية

حاول الفيزيائيون في القرن التاسع عشر شرح انبعاث الإلكترونات من سطح معدني باستخدام مبادئ الفيزياء الكلاسيكية. الفيزياء الكلاسيكية ببساطة هي فرع الفيزياء الذي لا تستخدم ميكانيكا الكم أو نظرية النسبية، والفيزياء الكلاسيكية تهتم بدراسة الظواهر الحركية للأجسام والقوى المسببة لحركتها.

افترض علماء الفيزياء الكلاسيكية، الذين تعاملوا مع الضوء على أنه موجة، أن المجال الكهربائي المتذبذب للضوء الذي يصطدم بسطح المعدن يسخن الإلكترونات الموجودة بداخله، والتي بدورها تبدأ بالاهتزاز. كما اعتقدوا أن سطوع (شدة) الموجة الضوئية يتناسب مع طاقتها.

باستخدام نظرية موجات الضوء، توصل الفيزيائيون الكلاسيكيون إلى هذه النتائج الثلاثة:

(1) كلما زاد سطوع (شدة) الضوء الساقط، زادت طاقة الإلكترونات المنبعثة من السطح.

(2) أي تردد لموجة الضوء سيكون قادرا على تحرير الإلكترونات من سطح المعدن، بشرط الحفاظ على شدة معقولة.

(3) إذا كان الضوء الساقط ذا شدة منخفضة (ضعيف جدًا)، فيجب أن يتعرض السطح المعدني باستمرار ولمزيد من الوقت حتى تصطدم موجات كافية بالسطح لتحرير الإلكترونات.

Photoelectric Effect

طبقا للنظرية الكلاسيكية، اذا كانت شدة الضوء الساقط منخفضة، فانه يجب تعريض سطح المعدن لوقت كافي حتى نحصل على الكترونات ضوئية.

اعلانات جوجل

ومع ذلك، عندما أجريت التجارب، تبين أن نتائج وتوقعات الفيزياء الكلاسيكية غير صحيحة … حيث تبين بالتجربة العلمية ما يلي:

(1) لا تعتمد طاقة الإلكترونات المتحررة على شدة الضوء الساقط.

(2) لا يمكن تحرير الإلكترونات من سطح المعدن ما لم يكن تردد موجة الضوء الساقط أكثر من قيمة حرجة (تردد العتبة).

(3) تتحرر الإلكترونات بمجرد سقوط الضوء على سطح المعدن.

لذلك، لم يستطع علماء الفيزياء الكلاسيكية من تفسير الظاهرة الكهروضوئية الكهروضوئي باستخدام النظرية الموجية للضوء. واستمر الغموض مصاحبا للظاهرة الكهروضوئية حتى تدخل السيد ألبرت أينشتاين.

أينشتاين يشرح ويفسر الظاهرة الكهروضوئية

في عام 1905، نشر الفيزيائي البارز ألبرت أينشتاين ورقة بحثية (نشر هذا البحث في نفس العدد الذي نشر فيه ورقته البحثية الشهيرة حول النسبية) حيث قدم نظرية لشرح الملاحظات “غير المتوقعة” المتعلقة بالضوء. لنقتبس منه التالي:

“وفقًا للافتراض الذي يجب أخذه في الاعتبار هنا، فإن طاقة شعاع الضوء المنتشر من مصدر نقطي لا تنتشر بشكل متصل بل في صورة كمات طاقة محدودة متمركزة في نقاط من الفراغ (اطلق عليها فيما بعد اسم الفوتون)، والتي تتحرك كوحدة واحدة، والتي لا يمكن إنتاجها وامتصاصها الا كوحدات كاملة”.

اعلانات جوجل

Photoelectric Effect

تقوم حزم صغيرة من الضوء تسمى الفوتونات بنقل طاقاتها إلى الإلكترونات وتحررها

بكلمات بسيطة، اقترح أنه في التجارب المتعلقة بالظاهرة الكهروضوئية لم يتصرف الضوء كموجة، بل تصرف كجسيم، والذي نشير إليه باسم “الفوتون”. نجحت نظريته في تفسير الملاحظات المتعلقة بنتائج التجارب المعملية للظاهرة الكهروضوئية بهذه الطريقة:

لا تعتمد طاقة الإلكترونات المتحررة من السطح المعدني على شدة الضوء، لأن الإلكترون يمتص فوتونًا واحدًا فقط في كل مرة. إذا كانت طاقة الفوتون كبيرة بدرجة كافية، فإن الإلكترونات تتحرر من السطح. إذا لم يكن الأمر كذلك، فإن الإلكترون يبدد الطاقة التي يحصل عليها من الفوتون من خلال الاصطدام بالإلكترونات والذرات المجاورة ولا يتحرر من سطح المعدن.

اعلانات جوجل

تردد العتبة (التردد الحرج Threshold frequency)

لا يمكن ان تتحرر أي إلكترونات من السطح إذا كان تردد الضوء الساقط أقل من القيمة الحرجة، والتي تُعرف باسم تردد العتبة. فيما يلي رسم تخطيطي لفهم هذا بشكل أفضل:

Photoelectric Effect

اعلانات جوجل

لاحظ أنه لا يتم تحرير أي إلكترونات في حالة ان تردد الضوء الساقط على المعدن أقل من تردد العتبة.

لاحظ أنه لا يتم إخراج الإلكترونات إلا إذا تجاوز تردد الضوء عتبة التردد. ومع ذلك، بالنسبة لشعاعين مختلفين من أشعة الضوء ذات ترددات أعلى من تردد العتبة، فإن أشعة الضوء ذات الطاقة الأعلى تطلق إلكترونات ذات طاقة حركية أعلى. فاز أينشتاين بجائزة نوبل لهذا التفسير!

ربما لا تعرف هذا، لكن أينشتاين فاز بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1921 ليس بسبب نظريته في النسبية، ولكن لشرح التأثير الكهروضوئي بنجاح باستخدام طبيعة الجسيمات للضوء.

تطبيقات عملية للظاهرة الكهروضوئية

هناك عدة تطبيقات للظاهرة الكهروضوئية في حياتنا العملية، لكن المثال الأكثر وضوحًا، والأكبر أيضًا، هو استخدامه في إنتاج الطاقة الكهربية من أشعة الشمس باستخدام الخلايا الكهروضوئية. تتكون هذه الخلايا من مادة شبه موصلة تولد الكهرباء عند تعرضها لأشعة الشمس.

تتنوع الأجهزة التي تستخدم الخلايا الكهروضوئية من الآلات الحاسبة إلى الأقمار الصناعية التي تدور حول الكوكب، ومن الجدير بالذكر ان هناك عدد لا يحصى من تطبيقات الطاقة الشمسية.

Photoelectric Effect

آلة حاسبة تعمل بالطاقة الضوئية 

تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية أيضًا في تكنولوجيا التصوير (بشكل أكثر تحديدًا، في أنابيب اشعة الكاثود لكاميرات الفيديو – وهو نوع من أنبوب أشعة الكاثود المستخدم لالتقاط الصورة التلفزيونية) في بدايات اكتشاف التلفزيون. كما تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية أيضا في عمليات التحليل الكيميائي للمواد بالاعتماد على الإلكترونات التي تنبعث منها، مما يسمح بدراسة الانتقالات الإلكترونية بين مستويات الطاقة.

تأثير غير مرغوب فيه للظاهرة الكهروضوئية على المركبات الفضائية

يمكن أن يؤدي التأثير الكهروضوئي إلى تراكم شحنات موجبة على السطح الخارجي لمركبة الفضاء، حيث يؤدي تعرضها الطويل لأشعة الشمس إلى انبعاث مستمر للإلكترونات من سطحها المعدني. لذلك، فإن الجانب المضاء بنور الشمس من المركبة الفضائية يتولد عليه شحنة موجبة، بينما الجانب الموجود في الظل يصبح مشحونا بشحنة سالبة نسبية.

يؤدي تراكم هذه الشحنة عبر سطح مركبة الفضاء إلى تدفق التيارات الكهربائية، وهذا ليس بالأمر الجيد، خاصةً عندما يكون لديك دوائر وآلات حساسة تعمل داخل المركبة الفضائية.

Photoelectric Effect

الكثير من الآلات المعقدة والحساسة في المركبة الفضائية

لذلك، تتكون الأنظمة الكهربائية في المركبة الفضائية من الكثير من الموصلات التي تمنع تراكم الشحنة على سطحها تجنبا لتأثير الظاهرة الكهروضوئية.

تفاصيل أكثر على الظاهرة الكهروضوئية في هذه المحاضرة وهنا فيديو يشرح محاضرة عن الظاهرة الكهروضوئية

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى