دراسة الظاهرة الكهروضوئية لقد ترك اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية تأثيرًا كبيرًا على العالم بأسره وقد أحدث هذا الاكتشاف ثورة في عالم الفيزياء، وخاصة فيزياء الكم، لذلك نقدم لك دراسة الظاهرة الكهروضوئية لمعرفة المزيد عنها.
مقدمة في الظاهرة الكهروضوئية
- الظاهرة الكهروضوئية، أو ما يعرف بالتأثير الكهروضوئي، هي ظاهرة تحدث نتيجة إطلاق المواد الصلبة والسوائل والغازات لمجموعة من الإلكترونات عندما تبدأ في امتصاص الطاقة التي يتم الحصول عليها من الضوء.
- تُعرف هذه الظاهرة أيضًا بإطلاق الإلكترونات عن طريق الأسطح المعدنية عند تعرضها للموجات الكهرومغناطيسية أو الأشعة الضوئية، وتشمل هذه الظواهر الإشعاع الحراري والثانوي والكهربائي والكهروضوئي.
- عندما نعرض سطحًا معدنيًا للإشعاع الكهرومغناطيسي فوق تردد معين، فسيتم امتصاص الإشعاع وسيتم طرد العديد من الإلكترونات من هذا السطح.
- غالبًا ما يكون هذا التردد المحدد هو التردد المرئي لبعض المعادن القلوية وهو أقرب إلى الأشعة فوق البنفسجية من المعادن الأخرى، ويعتبر الحد الأقصى للأشعة فوق البنفسجية لغير المعادن.
- بسبب هذه الأهمية الكبيرة لظاهرة الكهروضوئية، والتي سوف نتعرف عليها أثناء البحث، كان من الضروري أن تتعرف في الفقرة التالية على تاريخ اكتشاف هذه الظاهرة الفيزيائية المهمة.
تاريخ اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية
- يعود اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية إلى عام 1877 م واكتشفها العالمان هيرتز وهالف آه عندما لاحظا سهولة حدوث الشرر الكهربائي عند تعرض سطح مصنوع من مادة تنقل الأشعة فوق البنفسجية.
- لكن تم الإعلان عن هذا الاكتشاف رسميًا فقط في عام 1900. ه. ليونارد، واستمرت حتى عام 1905. هـ، عندما أعلن العالم العظيم أينشتاين تفاصيل الظاهرة الكهروضوئية.
- قدم أينشتاين ورقة بحثية تحتوي على شرح متكامل لنتائج الظاهرة الكهروضوئية العملية وأوضح أن طاقة الضوء تخزن على هيئة كميات من الطاقة تعرف بالفوتونات.
- في عام 1921، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في فيزياء الكم نتيجة لأبحاثه العلمية الطويلة والفائدة التي جلبها العلم والعالم لدراسة واكتشاف الظاهرة الكهروضوئية.
ضوء الأشعة فوق البنفسجية
- يمكن للضوء، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية، تفريغ جميع الأجسام السالبة الشحنة وإنتاج إشعاع مماثل في الطبيعة يعرف باسم أشعة الكاثود.
- يمكن الحصول على الضوء فوق البنفسجي الذي يسبب هذا التأثير من مصباح القوس، عن طريق حرق عنصر المغنيسيوم، أو عن طريق عمل حلزوني بين أحد طرفي الزنك ونهاية الكادميوم.
- تعتبر الأشعة فوق البنفسجية غنية جدًا بالأشعة فوق البنفسجية، على عكس أشعة الشمس، التي لا تحتوي على نفس القدر من الأشعة فوق البنفسجية مثل هذا الضوء.
- حتى كمية الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في أشعة الشمس يمتصها الغلاف الجوي تمامًا قبل الوصول إلى الأرض، وعمومًا لا تنتج نفس تأثير مصباح القوس.
خلية الصورة
- تتكون الخلية الكهربائية من غلاف شفاف، لا يوجد بداخله هواء، وكاثود غير مدفأ بمساحة سطحية كبيرة، ويتكون من مادة حساسة للضوء، ومصعد محمول إلى جهد كهربائي موجب فيما يتعلق بالكاثود. .
- يمر الضوء عبر الغلاف الشفاف ويصل إلى القطب السالب ويسبب إطلاق العديد من الإلكترونات منه، والتي تنجذب بفرق الجهد المطبق على القطب الموجب وتساعد على توليد تيار الأنود الكهربائي.
- ترتبط قوة تيار الأنود بقوة الضوء الساقط عليه من خلال الغلاف الشفاف، وكذلك لون هذه الحزمة، وكذلك فرق الجهد المطبق بين الأنود والكاثود.
- لكن في كثير من الحالات من الممكن أن تكون الخلية الكهروضوئية ضعيفة لأنها لا تنتج الكثير من الإلكترونات، لذلك اخترع العلماء ما يسمى بالمضاعف الضوئي.
مضاعف ضوئي
- في كثير من الحالات، لا تكون الخلايا الكهروضوئية حساسة للغاية للكشف عن الدوائر الضوئية الضعيفة، ويرجع ذلك إلى ضعف التيار الناتج عن قلة عدد الإلكترونات المقذوفة.
- لكن يمكن مضاعفة عدد هذه الإلكترونات عن طريق الانبعاث الثانوي، لذلك نغطي سطح الأنود بمزيج من الفضة والمغنيسيوم، بحيث يصدر الإلكترون التالي ذو الطاقة الحركية الضخمة العديد من الإلكترونات الثانوية.
- يتم تسريع الإلكترونات في المجالات الكهربائية على مسارات ثانوية متتالية، كل منها يصدر العديد من الإلكترونات لكل إلكترون وارد.
- جهاز المضاعف الضوئي حساس للغاية ويتكون من كاثود شديد الحساسية والعديد من المسارات الثانوية التي تساهم في الإشعاع الثانوي والأنود.
- إذا تضمن اختبار PMT عشرة مسارات ثانوية، تتضاعف الإشارة بشكل كبير حتى تصل إلى 910. يمكن استخدام هذا PMT لقياس PMT الضعيف ودراسة الإشعاع النووي.
- يستخدم الضوء أيضًا في جميع عمليات نقل البيانات ومعالجتها باستخدام المعدات الإلكترونية الضوئية، بما في ذلك الثنائيات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها الكثير.
كيف تحدث الظاهرة الكهروضوئية؟
- لقد أثبت العلم أن الظاهرة الكهروضوئية تحدث عندما تشع الأشعة الكهرومغناطيسية على سطح معدني، وتطلق العديد من الإلكترونات فوق ذلك السطح.
- يحدث هذا نتيجة امتصاص أجزاء من الأشعة الكهرومغناطيسية لهذا الإلكترون المرتبط بهذا المعدن، وبالتالي يكتسب الطاقة الحركية التي تتسبب في إطلاقه، ويتطلب حدوث هذه الظاهرة العديد من المتغيرات.
- هذه المتغيرات هي تردد الأشعة الكهرومغناطيسية، وقوة الأشعة الكهرومغناطيسية، وكذلك التيار الكهروضوئي، والطاقة الحركية للإلكترون المنطلق من سطح المعدن، ونوع المعدن.
- يتطلب التأثير الكهروضوئي وجود العديد من الفوتونات، وهذه الفوتونات لها طاقة متعادلة تبلغ حوالي ميغا إلكترون فولت في عدد ذري عالي من العناصر.
- تعتبر هذه الظاهرة من الظواهر المهمة للغاية لأنها تساعد في إيجاد وكشف العلوم الطبيعية الكمومية للضوء وكذلك الإلكترونات وتساعد في فهمها القريب والحميم.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية
- تحدث هذه الظاهرة عندما تكون قيمة التردد للموجات الواقعة على السطح أكبر من تردد الحد، ويكون تردد الحد هو التردد الأدنى للضوء الكافي لإرسال الإلكترونات بعيدًا عن سطح المعدن دون نقل أي طاقة حركية إليه.
- تحدث هذه الظاهرة بعد السقوط الفوري للموجات الكهرومغناطيسية للتردد المناسب على أي سطح بغض النظر عن شدة هذه الموجات الكهرومغناطيسية.
- تعتمد هذه الظاهرة على عدد الإلكترونات المنبعثة من السطح في اتجاه قوة الضوء الساقط، وهذا يعني أن شدة هذا التيار الذي يمر عبر دائرة العنصر الكهروضوئي تزداد فورًا بعد زيادة شدة الضوء الساقط. .
- توجد علاقة مباشرة بين طاقة حركة الإلكترونات وتواتر سقوط هذا الضوء على سطح المعدن، فإذا زادت القيمة القصوى لحركة الإلكترونات المنبعثة، فإن تواتر سقوط الضوء على سطح المعدن يزيد المعدن.
آلية إشعاع الطاقة الكهرومغناطيسية
- تمتلك الفوتونات طاقة معينة تتناسب مع تردد الضوء.في عملية انبعاث الضوء، إذا امتص الإلكترون طاقة فوتون واحد وكانت طاقته أكبر من رابطة المادة العاملة، فسنحصل على إلكترون.
- ولكن إذا كانت طاقة الفوتون منخفضة، فلن يتمكن الإلكترون من التحرر من المادة، وإذا زادت قوة الضوء، يزداد عدد الفوتونات المنتجة، مما يؤدي إلى زيادة عدد الإلكترونات المنتجة .
- لكن هذا لا يؤدي إلى زيادة الطاقة التي يمتصها الإلكترون، وبالتالي يُستنتج أن هذه الطاقة الموجودة في الإلكترون الناتج لا تعتمد على قوة الضوء الساقط على سطح المعدن.
- لكن الطاقة في الإلكترون تعتمد فقط على طاقة الضوء، وبالتالي يمكننا ربط طاقة الفوتون الساقط على السطح بطاقة الإلكترون الناتج.
- يمكن لهذه الإلكترونات أيضًا أن تمتص كل طاقة الفوتونات عند تعرضها لأي حزمة ضوئية، وغالبًا ما تتبع مبدأ الكل أو لا شيء.
- يتم امتصاص كل طاقة الفوتون واستخدامها لتحرير إلكترون واحد فقط من الرابطة الذرية، وإلا فإن كل طاقة الفوتون ستُبعث مرة أخرى.
- إذا تم امتصاص كل طاقة الفوتون، فإن بعض هذه الطاقة ستحرر إلكترونًا من الذرة، وستعمل بقية الطاقة على زيادة الطاقة الحركية لذلك الإلكترون الحر.
الملاحظات التجريبية للإشعاع الكهروضوئي
- عندما بحث العلماء واكتشفوا الظاهرة الكهروضوئية، كان من الضروري شرح الملاحظات التجريبية لانبعاث الإلكترون الذي يحدث على سطح مادة معرضة للضوء.
- في حالة وجود معدن معين، يوجد حد أدنى لتكرار سطح هذا المعدن، فإذا عرّضنا سطح هذا المعدن لتأثير تردد أقل، فإنه لا ينتج إلكترونات ضوئية، والاسم العلمي لهذا التردد هو تردد العتبة.
- لكن إذا قمت بزيادة تردد الشعاع الذي يضرب السطح المعدني وحافظت على ثبات عدد الفوتونات التي تصطدم به، فسيؤدي ذلك إلى زيادة طاقة الفوتون، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية نتيجة لذلك.
- يؤدي هذا إلى زيادة جهد التوقف وتغير عدد الإلكترونات بسبب احتمالية أن يصدر كل فوتون إلكترونًا مع طاقة الفوتون عند تردد الحد.
- الفترة الزمنية بين سقوط الشعاع على سطح المعدن وتحرر إلكترون نتيجة لهذا الحادث هي فترة زمنية قصيرة جدًا، تقترب من عشر ثوانٍ.
- يصل اتجاه توزيع هذه الإلكترونات نتيجة شعاع الضوء الساقط على سطح المعدن إلى اتجاه الاستقطاب أو ما يعرف باسم اتجاه المجال الكهربائي للضوء الساقط إذا كان مستقطبًا خطيًا.
كيفية استخدام الظاهرة الكهروضوئية
- أحدثت الظاهرة الكهروضوئية قفزة كبيرة في الفيزياء وساعدت العديد من العلماء على اكتشاف العديد من الاختراعات والبحث عنها بناءً على الظاهرة الكهروضوئية.
- اعتمد استخدام الخلايا الكهروضوئية في البداية على تطبيق الألياف الضوئية، والتي عملت على اكتشاف الضوء فقط من خلال المصعد والكاثود.
- في وقت لاحق، تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية في الخلايا الشمسية، والتي تتكون أساسًا من السيليكون الأصلي وتستخدم كبطاريات لتخزين الطاقة عند تعرضها للشمس لاستخدامها لاحقًا.
- كما تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية مؤخرًا في تقنيات التصوير، حيث تعمل في أنابيب الكاميرات ومكثفات الصورة، ويمكن استخدامها في بعض العمليات النووية.
- من الممكن أيضًا استخدام الظاهرة الكهروضوئية بشكل فعال في تحليل العديد من المواد الكيميائية، بالاعتماد بشكل أساسي على الإلكترونات التي تولدها.
اختتام دراسة الظاهرة الكهروضوئية
قدمنا دراسة شاملة للظاهرة الكهروضوئية وهي ظاهرة نالت لأينشتاين جائزة نوبل والتي تساعدنا كثيرا في أشياء كثيرة في حياتنا ويمكننا الاستفادة منها أكثر في الفترات القادمة.