الظاهرة الكهروضوئية (Photoelectric effect)شرح الظاهرة وأهميتها
تعريف الظاهرة الكهروضوئية
شرح الظاهرة :
أهمية الكهرضوئية
الظاهرة الكهروضوئية ويكيبيديا
الظاهرة الكهروضوئية (Photoelectric effect).
مرحباً بكم أعزائي الزوار طلاب وطالبات في صفحة موقعنا النورس alnwrsraby.net العربي نرحب بكل زوارنا الكرام الناشطين في البحث عن الحلول والاجابات والمعلومات الصحيحة في شتى المجالات التعليمية والثقافية يسرنا بزيارتكم أن نقدم لكم الأن الظاهرة الكهروضوئية (Photoelectric effect)
تعريف الظاهرة الكهروضوئية
الظاهرة الكهروضوئية ببساطة هي : عملية يتم بها انبعاث الإلكترونات من الأجسام الصلبة عند امتصاص الطاقة من الضوء. ولِما كان التّيار الكهربائي عبارة عن سيل من الإلكترونات , سُميت ظاهرة انتزاع الإلكترونات بواسطة الضوء بالظاهرة الكهروضوئية. كما أن عملية انتزاع الإلكترونات بواسطة التّسخين (الحرارة) تسمى بالظاهرة الكهروحرارية، وهكذا. وأبسط مثال على هذه الظاهرة هو : بأخذ لوح فلزي معين وإسقاط ضوء "بشروط مناسبة" عليه لتبدأ الإلكترونات بالتحرر من سطح هذا الفلز "بآليّة معينة" سنتعرف عليها في هذا المقال. مقدمة تاريخية : تعود أول ملاحظة للظاهرة الكهروضوئية إلى الفيزيائي الألماني (هاينريش هيرتز) (صاحب اكتشاف الموجة اللاسلكية) حيث وجد عام 1887 من خلال تجاربه أن الشرر الكهربائي يتولد بسهولة أكبر عند تعريض سطح المواد الموصلة لشعاع فوق بنفسجي.
أي أن الطاقة الكهرومغناطيسية (الضوء) ذات الأطوال الموجية القصيرة تستطيع إذا أُُسقطت على جسم صلب أن تجعله يبعث الإلكترونات. لكن الظاهرة كانت بحاجة لتفسير دقيق وفق مفاهيم مختلفة، وهو الأمر الذي عجز عنه (هيرتز) وجميع أتباع المدرسة الكلاسيكية آنذاك. حيث إن المفهوم السائد عن الضوء آنذاك مما جاء به (ماكسويل) وغيره على أنه شكل من أشكال الأمواج الكهرومغناطيسية الذي يتصف بالطبيعة الموجية، ورغم أنها (النظرية الكهرومغناطيسية) كانت من النظريات الأساسية التي استطاعت تفسير العديد من الظواهر الضوئية كالاستقطاب والتداخل والحيود وغيرها الكثير، إلا أنها فشلت في تفسير الظاهرة الكهروضوئية. لاحقًا وفي عام 1900 تمكن الفيزيائي العبقري (ماكس بلانك) من خلال دراسته لإشعاع الجسم الأسود، وبعد أن فشل العلماء بإيجاد صيغة رياضية تحسب طاقة اشعاع الجسم الأسود بدلالة الطول الموجي, تمكن من أن يضع مبدأ تكميم الطاقة الذي يعد حجر الأساس الذي بنيت عليه ميكانيكا الكم، وكان اكتشاف هذا المبدأ بمثابة نقلة نوعية على رقعة العلم.
ينص مبدأ (بلانك) : أن إشعاع الجسم الأسود ينبعث نتيجة اهتزاز ذرّات أو جزيئات سطحه، وهذه الاهتزازات تبعث الإشعاع بشكل طيف مستمر، لكن على شكل كمات من الطاقة. وبناءً على ذلك تمكن (بلانك) من إيجاد ثابت طبيعي سمّاه باسمه ووضع علاقة (بلانك) الشهيرة التي تعطي العلاقة بين طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي وطول موجته. (Ehc/¥) حيث E طاقة الإشعاع و h ثابت (بلانك) وc سرعة الضوء و ¥ الطول الموجي. وبعد بضعة أعوام وفي عام 1905: قام (ألبرت أينيشتاين) بتفسير التأثير الكهرضوئي تفسيرا مرضيًا، وذلك بالاستفادة من أفكار (بلانك).
فقد افترض أن الإشعاع الضوئي يجب أن يأتي على شكل كمات محددة القياس من الطاقة تدعى "فوتونات". وافترض أيضًا أنه عند سقوط الضوء على سطح ما تستطيع إلكترونات متفرقة من الجسم الصلب أن تمتص كمات الطاقة هذه. لذا فإن الطاقة التي يكتسبها الإلكترون تتوقف فقط على تردد الضوء ولا تتوقف على شدته. كما وضع (أينيشتاين) علاقته الشهيرة في التأثير الكهرضوئي، وحصل بذلك على جائزة (نوبل) لمساهمته في اكتشاف هذه الظاهرة. كما قام لاحقًا العالم التجريبي (روبيرت ميليكان) بإثبات علاقة (أينيشتاين) تجريبيًا وبرهان صحتها، كما أنه قام بحساب ثابت (بلانك) بشكل دقيق، وحساب شحنة الإلكترون، وحصل الآخر على جائزة (نوبل) أيضًا.
شرح الظاهرة :
عندما يسقط الضوء على سطح لوح فلزي ما، فإن الفوتونات الضوئية تصطدم بالإلكترونات الموجودة داخل اللوح، (وهي إلكترونات حرة، كانت تتجول بين الذرّات، وبعد أن اصطدمت الفوتونات بها تنطلق خارج اللوح أو كما يسمى الباعث). فإذا وصلنا ذلك السطح بسطح آخر نسميه مُجمِّع، فإن الإلكترونات ستتّجه من الباعث الى المُجمِّع مشكِّلةً تيار كهربائي ضوئي (photoelectric current). وإن الإلكترونات المنبعثة من اللوح بواسطة الضوء تسمى الإلكترونات الضوئية (photoelectric photons). لكن في الحقيقة: ليس أي ضوء يقوم بنزع الإلكترونات من سطح الفلز وإنما يتطلب الأمر طاقة كافية للفوتونات كي تستطيع تحرير الإلكترونات. وكما أشرنا سابقا بأن طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي تتناسب مع تردده, وعلى ذلك فإن للضوء تردد معين يتم عند تطبيقه تحرر الإلكترونات من اللوح، ويسمى هذا التردد "تردد العتبة" وهو التردد الضوئي اللازم لانتزاع الإلكترونات. وتردد العتبة هذا يختلف من مادّة لأخرى (لأن طاقة ارتباط الإلكترونات تختلف باختلاف طبيعة المادّة). فالتردد العتبي لمادّة الزنك لا يساوي تردد عتبة الحديد مثلًا.
وعند تسليط ضوء تردده أقل من تردد عتبة المادّة لن تنطلق أية إلكترونات لعدم وجود طاقة كافية لتحريرها. كيف تنتقل الإلكترونات من سطح اللوح? عندما تصطدم الفوتونات فإن طاقة الفوتون تنتقل الى الإلكترون على شكل طاقة تجعله يتحرر من سطح الفلز، وطاقة حركية تجعله ينطلق على شكل تيار كهرضوئي. وإن أقل مقدار لطاقة الفوتون اللازمة لتحرير الإلكترون من سطح الفلز تسمى "دالّة الشغل" وتساوي ثابت بلانك مضروبا بتردد العتبة للمادّة. لذا فإن الضوء الساقط لن يحرك الإلكترون إلّا إذا كانت طاقته أكبر من دالّة الشغل. ومن المعروف أن زيادة شدّة الضوء (خافت- باهت) لا تسبب زيادة في الطاقة وليس لها علاقة بانتزاع الإلكترونات اساسًا, وإنما زيادة الشدّة تزيد من عدد الفوتونات الضوئية الساقطة. ولما كان كل إلكترون يصطدم بفوتون واحد فقط ويخرج، بالتالي فزيادة عدد الفوتونات تزيد من عدد الإلكترونات المتحررة مما يسبب زيادة شدّة التّيار الكهرضوئي الناتج.
أهمية الكهرضوئية :
إن للظاهرة الكهرضوئية تطبيقات عملية مفيدة اليوم، كالخلايا الشمسية وأجهزة الكشف عن الإشعاعات غير المرئية، كما أن بعض أجهزة تحليل الطيف الإشعاعي للمادّة تعتمد على الكهرضوئية والكثير من التطبيقات المفيدة. غير أن أهمية هذه الظاهرة حقيقةً تكمن في التفسير الذي قدمته لسلوك العملية الكهرضوئية، حيث إن الظاهرة الكهرضوئية أثبتت الطبيعة الجسيمة للضوء، وفتحت الأبواب لنظريات جديدة كليًا تعالج ازدواجية "موجة- جسيم" للضوء، وتصف التأثيرات الكمومية للجسيمات التي لم تستطع الميكانيكا التقليدية تفسيرها. وإن العلماء اليوم وحتى سابقًا يعتبرون (ماكس بلانك) هو المؤسس الأول لعلم ميكانيكا الكم وواضع أول لبنة قام عليها جدار نظرية الكم العظيم. المصادر والمراجع : - المدخل إلى ميكانيكا الكم : (ر.ديكه, ج.ويتكه). - أساسيات الفيزياء : (فريديريك .ج.بوش). -الميكانيكا الكوانتية : (ا.سوكولوف, ا.تيرنوف,ف.جوكوفسكي).
شكراً لزيارتكم موقعنا النورس العربي. وفقنا الله وإياكم إلى ما يحبه ويرضاه
