التأثير الكهروضوئي هي أحد الظواهر التي لم تستطيع الفيزياء الكلاسيكية تفسيرها. أو تحديدا أنه لا يمكن تفسيرها باستخدام النظرية الموجية للضوء ولابد من وجود فروض جديدة (فيزياء حديثة) كي نستطيع تفسير هذه الظاهرة الكهروضوئية لما لها من اهمية و تطبيقات. حيث قام العالم اينشتين بتفسيرها.

الظاهرة الكهروضوئية

عند تعريض سطح الفلزات القلوية إلى ضوء أو أشعاع كهرومغناطيسي تردده قريب من الأشعة فوق البنفسجية، يمتص الفلز الإشعاع و تنبعث إلكترونات من سطح الفلز ( أو يولد إشعاع تشبه طبيعته طبيعة أشعة الكاثود بلغة هذا العصر) و هذه المشاهدة أو الظاهرة هي الظاهرة الكهروضوئية.

المحير في هذه التجارب هو لماذا عند التردادت العالية؟ و لماذا لا تنطلق عند التردادت المنخفضة و الشدة العالية مثلا؟ و لفهم السؤال بطريقة أعمق.

هناك متغيرين يتم التحكم فيهما كي يتم دراسة الظاهرة وهم

• تردد الضوء
• شدة الضوء.

  بالنسبه للتردد فهو الكمية يتم من خلالها وصفه عدد الاهتزازات التي تحدثها الموجة في الثانية الواحدة.  فكل  أجزاء الطيف الكهرومغناطيسي  من  أشعة جاما و أكس وإنتهاء بأشعة راديو يكون لهم نفس السرعة في الفراغ وهي سرعة الضوء بينما تختلف هذه الأجزاء عن بعضها البعض في التردد.  في عند النظر للضوء المرئي نجد أن لكل لون تردده على الخاص به.  أما بالنسبة للشدة فهي و تقيس كمية الطاقة في هذا الضوء.  فعند إضاءة مصباحين على سبيل المثال  فإن التردد لا يزداد ولا تزداد بالطبع سرعة الضوء ولكن ما يزداد هو شدة الضوء. الشدة تعني كَم الضوء ويمكن أيضا ربط الشدة في النظرية الموجية بـ سعة الموجة الكهرومغناطيسية.

يمكن دراسة ظاهرة التأثير الكهروضوئي باستخدام

الدائرة الموضحة بالشكل لإيجاد علاقة بين الإلكترونات المتحررة و تردد الضوء الساقط.

ملخص الظاهرة الكهروضوئية

1- لا تنطلق الالكترونات إلا إذا كان تردد الضوء الساقط أكبر من قيمة معينة تسمى التردد الحرج ( أو تردد العتبة).
2- طاقة حركة الإلكترونات المنطلقة (أو سرعتها) تتوقف على تردد الموجة الساقطة و ليس على شدة الضوء.
3- انطلاق الالكترونات يحدث لحظيا و ليس هناك فترة انتظار لتجميع الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترونات إذا كانت شدة الضوء ضعيفة
أي أن الألكترونات تخرج بشرط أن يكون تردد الضوء أكبر من التردد الحرج. في حالة الشدة فهي تتحكم في كم الألكترونات ( عددها) و لكن المفتاح في انطلاقها هو التردد.

لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسير ظاهرة الكهروضوئي

لم تستطع الفيزياء الكلاسيكية تفسير الظاهرة الكهروضوئية بسبب أنها تنظر للضوء على أنه موجات عند سقوط الضوء على المعدن. تكتسب للإلكترونات طاقة الضوء فتنطلق من السطح و تتوقف طاقة الضوء على شدة الموجة الساقطة بصرف النظر عن ترددها. فإذا كانت شدة الإضاءة قليلة فإن تسليط الضوء لمدة طويلة كفيل بإعطاء الالكترونات الطاقة اللازمة لتحريرها بصرف النظر عن تردد الضوء الساقط.

فروض أينشتاين

1) الضوء عبارة عن كمات من الطاقة (فوتونات) وكل فوتون له طاقة تعين من قانون بلانك:

2) لكل معدن طاقة تلزم لتحرير الإلكترون من سطحه و تسمى هذه الطاقة دالة الشغل و تتعين من العلاقة:

فإذا كانت طاقة الفوتون (والتي تتناسب مع التردد) أكبر من أو يساوي دالة الشغل تحرر الألكترون و فارق الطاقة يتحول إلي طاقة الحركة. و أما شدة الضوء : تناسب شدة التيار الكهروضوئی طرديا مع شدة الضوء الساقط كالما التردد أكبر من الحرج.

أينشتاين لتفسير ظاهرة التاثير الكهروضوئي

و بالتالي فإن

تطبيقات التأثير الكهروضوئي

تطبيقات الظاهرة الكهروضوئية في حياتنا اليومية من أهمها الخلية الكهروضوئية و الخلايا الشمسية و هي أدوات كهربية تقوم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربية.

لمزيد من التفاصيل حول الظاهرة يجب مشاهدة فيديو الظاهرة الكهروضوئية

للتأكد من فهمك عليك اجتياز اختبار على الظاهرة الكهروضوئية.

مراجع (عربية – إنجليزية)