تعريف التأثير الكهروضوئي

تعريف التأثير الكهروضوئي

يُمكن تعريف التأثير الكهروضوئي بأنه



الظاهرة التي يتم من خلالها إطلاق الجسيمات المشحونة كهربائيًا من أو داخل مادة ما حينما تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي .


كما أن التأثير غالبًا ما يُعرف بأنه طرد الإلكترونات من الألواح المعدنية عندما يسقط عليها الضوء.

وفي تعريف أشمل قد تكون الطاقة المشعة بالأشعة تحت الحمراء، أو المرئية، الأشعة فوق البنفسجية، الأشعة السينية، أو أشعة جاما هي مادة صلبة، سائلة أو غازية، والجسيمات التي تنبعث قد تكون أيونات أي (ذرات أو جزيئات مشحونة كهربائيًا) فضلًا عن الإلكترونات.

وقد كانت تلك الظاهرة هامة بصورة أساسية في عملية تطوير الفيزياء الحديثة، وهذا بسبب الأسئلة الصعبة التي أثارتها الفيزياء حول طبيعة الضوء (الجسم مقابل السلوك الموجي)، والتي في النهاية تم حلها من قبل ألبرت أينشتاين بعام 1905 ميلاديًا، ومن الجدير بالذكر أن التأثير يظل هامًا من أجل البحث في مجالات من علم المواد إلى الفيزياء الفلكية، وأيضًا تشكيل الأساس لمجموعة مختلفة من الأجهزة المفيدة. [1]

متى اُكتشف التأثير الكهروضوئي

لقد


اُكتشف التأثير الكهروضوئي في سنة 1887


ميلاديًا بواسطة الفيزيائي الألماني (هاينريش رودولف هيرتز)، إذ أنه لاحظ عند العمل على موجات الراديو أنه حينما يضيء الضوء فوق البنفسجي فوق قطبين معدنيين بجهد مطبق خلالهما، فإن هذا الضوء يؤدي إلى تغيير الجهد الذي يحدث عنده شرارة، وقد تم توضيح تلك العلاقة ما بين الضوء والكهرباء (ومن ثم الكهروضوئية) في سنة 1902 ميلاديًا بواسطة فيزيائي ألماني آخر، وهو (فيليب لينارد) الذي أوضح أن الأجسام المشحونة كهربائيًا تتحرر من سطح معدني حينما يكون مضاءً وأن تلك الأجسام تتطابق مع الإلكترونات التي قام الفيزيائي البريطاني جوزيف جون طومسون باكتشافها في عام 1897.

وقد أظهرت المزيد من الأبحاث والدراسات أن التأثير الكهروضوئي عبارة عن تفاعل ما بين الضوء والمادة ولا يمكن تفسيره بالفيزياء القديمة، التي تقوم بوصف الضوء على أنه موجة كهرومغناطيسية، كما كانت واحدة من الملاحظات التي لا يمكن تفسيرها هي أن الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات المحررة لم تتغير مع قوة الضوء، مثلما كان متوقعًا تبعًا لنظرية الموجة، إلا أنها كانت متناسبة بدلًا من هذا مع تردد الضوء، وما حددته شدة الضوء كان عدد الإلكترونات المنبعثة من لح المعدن (تقاس مثل التيار الكهربائي)، ومن الملاحظات الأخرى التي كانت محيرة هي عدم وجود أي فارق زمني تقريبًا بين وصول الإشعاع وانبعاث الإلكترونات.

أعمال أينشتاين في التأثير الكهروضوئي

ترتب على النظر في تلك السلوكيات الغير متوقعة أن العالم ألبرت أينشتاين قام بصياغة نظرية جديدة جسيمية للضوء بعام 1905، إذ يشتمل كل جسيم من الضوء أو الفوتون على مقدار ثابت من الطاقة، أو الكم، والتي تكون معتمدة على تردد الضوء خصوصًا، والفوتون يحمل طاقة E تساوي hf، إذ أن f هو تردد الضوء و h هو الثابت العالمي الذي وضعه الفيزيائي الألماني ماكس بلانك بعام 1900 ميلاديًا من أجل شرح توزيع الطول الموجي الخاص بإشعاع الجسم، أي الكهرومغناطيسية الإشعاع المنبعث من جسم ساخن، ومن الممكن كذلك كتابة العلاقة بالصورة المكافئة E = hc / λ، إذ أن c يمثل سرعة الضوء و طول الموجة، وبالتالي يدل على أن طاقة الفوتون تتناسب عكسيًا مع طول موجته.

وقد وضع أينشتاين افتراضًا بأن الفوتون سيخترق المادة وينقل الطاقة إلى الإلكترون، حينما يتحرك الإلكترون من خلال المعدن بسرعة كبيرة ويخرج في النهاية من المادة، وسوف تقل طاقته الحركية بمقدار ϕ أو ما يُعرف بوظيفة العمل (على غرار وظيفة العمل الإلكترونية)، والتي تتمثل في الطاقة اللازمة للإلكترون من أجل الهروب من فلز، وعن طريق الحفاظ على الطاقة، قاد ذلك المنطق أينشتاين للمعادلة الكهروضوئية Ek = hf -، إذ أن Ek هي أقصى طاقة حركية للإلكترون المقذوف.

وفي حين أن نموذج أينشتاين قد قام بوصف انبعاث الإلكترونات من معدن مضئ، فإن الفرضية الخاصة بالفوتون كانت أيضًا جذرية بدرجة كبيرة بحيث لم يتم قبولها عالميًا إلى أن تلقت المزيد من التحقق التجريبي، وقد تم إثباتها أكثر في سنة 1916 حينما تحققت القياسات الدقيقة جدًا بواسطة الفيزيائي الأمريكي (روبرت ميليكان) من معادلة أينشتاين والتي أظهرت بمنتهى الدقة أن قيمة ثابت أينشتاين كانت هي ذاتها ثابت بلانك، وأخيرًا قد حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء سنة 1921 لتفسير التأثير الكهروضوئي.

اكتشافات بعض العلماء في التأثير الكهروضوئي

وفي سنة 1922، قام الفيزيائي الأمريكي (آرثر كومبتون) بقياس مدى التغير في الطول الموجي الخاص بالأشعة السينية بعدما تفاعلت مع الإلكترونات الحرة، ثم أوضح أنه من الممكن حساب هذا التغيير من خلال معالجة الأشعة السينية على كونها مصنوعة من الفوتونات، وقد حصل آرثر على جائزة نوبل في الفيزياء سنة 1927 عن ذلك العمل.

أما في سنة 1931 عمل عالم الرياضيات البريطاني (رالف هوارد فاولر) على توسيع فهم الانبعاث الكهروضوئي عن طريق معرفة العلاقة ما بين التيار الكهروضوئي ودرجة الحرارة في المعادن، وقد أوضحت بعض الجهود الأخرى أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكنه أيضًا إصدار إلكترونات في العوازل الغير موصلة للكهرباء، وفي

أشباه الموصلات

، ومجموعة مختلفة من العوازل التي توصل الكهرباء في ظل ظروف محددة فقط.

تطبيقات التأثير الكهروضوئي

على الرغم من أن وصف التأثير الكهروضوئي يبدو نظريًا جدًا، إلا أن هناك الكثير من التطبيقات العملية له، وفي التالي بعض تطبيقات التأثير الكهروضوئي: [2]

في الأصل اُستخدمت الخلايا الكهروضوئية من أجل الكشف عن الضوء، من خلال أنبوب مفرغ يشتمل على كاثود حتى يتم إصدار الإلكترونات، وأنود من أجل تجميع التيار الناتج، وفي اليوم الحالي تطورت تلك “الأنابيب الضوئية” وأصبحت الصمامات الثنائية الضوئية قائمة على أشباه الموصلات والتي يتم استخدامها في تطبيقات كالخلايا الشمسية واتصالات الألياف الضوئية.

والأنابيب المضاعفة الضوئية عبارة عن نوع مختلف من الأنبوب الضوئي، إلا أنها تشتمل على الكثير من الصفائح المعدنية التي تُعرف باسم الديودودات، ويتم إنتاج الإلكترونات بعد أن يقوم الضوء بضرب الكاثودات، ثم تسقط الإلكترونات على الدينود الأول، الذي يقوم بإطلاق المزيد من الإلكترونات التي تسقط على الدينود الثاني، ثم على الدينود الثالث، ثم الرابع، وهكذا، ومن الجدير بالذكر أن كل دينود يقوم يتضخيم التيار بعد تقريبًا 10 دينودات، يصبح التيار قويًا بدرجة تكفي للمضاعفات الضوئية من أجل اكتشاف

الفوتونات

المفردة، ويتم استخدام أمثلة على هذا في التحليل الطيفي (الذي يقوم يتقسيم الضوء لأطوال موجية متباينة للتعرف على المزيد عن التراكيب الكيميائية للنجوم، على سبيل المثال)، والتصوير المقطعي المحوري (CAT) الذي يستخدم لفحص الجسم.

وهناك عدد من التطبيقات الأخرى للديودات الضوئية والمضاعفات الضوئية، ومنها:

• دراسة العمليات النووية.
• تحليل المواد كيميائيًا وفقًا لإلكتروناتها المنبعثة.
• تكنولوجيا التصوير، ومنها أقدم) أنابيب كاميرات التليفزيون أو مكثفات الصورة.
• تقديم معلومات نظرية عن كيف يتم انتقال الإلكترونات في الذرات بين حالات الطاقة المتباينة.

ومن الجدير بالذكر أن أهم تطبيق للتأثير الكهروضوئي ربما كان هو إطلاق ثورة الكم، وفقًا لما ذكره Scientific American، والتي قادت الفيزيائيين للتفكير في طبيعة الضوء وبنية الذرات بصورة جديدة جدًا.