7.4: التأثير الكهرضوئي

عندما يصطدم ضوء بطول موجي معين بسطح معدني، تنبعث الإلكترونات. ويسمى هذا بالتأثير الكهروضوئي. ويُطلق على الحد الأدنى لتردد الضوء الذي يمكن أن يتسبب في انبعاث الإلكترونات هذا تردد الحد، وهو خاص بالمعدن. الضوء الذي يكون تردده أقل من تردد الحد، حتى لو كان عالي الكثافة، لايمكنه أن يتسبّب بانبعاث الإلكترونات. ومع ذلك، عندما يكون التردد أعلى من قيمة الحد، يكون عدد الإلكترونات التي يتم إخراجها متناسباً بشكل مباشر مع كثافة الشعاع.

وفقاً لنظرية الموجة الكلاسيكية، تعتمد طاقة الموجة' على شدتها (التي تعتمد على اتساعها)، وليس على ترددها. وكان أحد أجزاء هذه الملاحظات هو أن عدد الإلكترونات التي تم إخراجها في غضون فترة زمنية معينة قد تزايد مع زيادة السطوع. في عام 1905، تمكن ألبرت أينشتاين من حل هذه المفارقة من خلال دمج نتائج بلانك' الكمّية في الرؤية الجزيئية للضوء والتي كان مشكوك في صحتها.

لقد جادل آينشتاين أن الطاقات الكمّية التي افترض بلانك يمكن تطبيقها على الضوء في التأثير الكهروضوئي. لا ينبغي النظر إلى الضوء الذي يضرب السطح المعدني على أنه موجة، ولكن بدلاً من ذلك، ينبغي النظر إليه على أنه تدفق من الجسيمات (التي سمّيت في وقت لاحق بـ الفوتونات ) التي تعتمد طاقتها على ترددها، وتعتمد كمية الطاقة (E) في حزمة الضوء على ترددها (ν) وفقاً للمعادلة التالية:

حيث أن h هو ثابت بلانك’.

يمكن وصف التأثير الكهروضوئي عن طريق افتراض أن الضوء محدّد كمّياً. يلزم توفير حد أدنى معين من الطاقة للتغلب على طاقة الربط (Φ) التي يتمتع بها الإلكترون. ويُعرف هذا أيضًا باسم وظيفة العمل (W) للمعدن.

بما أن الإلكترونات الموجودة في المعدن تحتوي على مقدار معين من الطاقة الربط التي تبقيها هناك، فإن الضوء الساقط يحتاج إلى طاقة أكبر لتحرير الإلكترونات. لا تحتوي فوتونات الضوء منخفضة التردد على طاقة كافية لإخراج الإلكترونات من المعدن. وحتى إذا تعرض المعدن لمثل هذا الضوء لفترة طويلة، فلا يلاحظ انبعاث للإلكترونات. لا يمكن إصدار الإلكترون إلا عندما يصدم فوتون ذو طاقة أكبر من وظيفة العمل في المعدن.

يتم تحويل الطاقة الزائدة للفوتون إلى طاقة حركية للإلكترون المنبعث.

وبالتالي، يتم إخراج الإلكترونات عند اصطدمها بفوتون ذات طاقة كافية (تردد أكبر من الحد). وكلما زاد تكرار ضوء الحادث، زادت الطاقة الحركية التي ينقلها التصادمات إلى الإلكترونات الهاربة. كما زعم آينشتاين أن كثافة الضوء لم تعتمد على سعة الموجة الواردة، بل كانت تقابل بدلاً من ذلك عدد الفوتونات التي تضرب السطح في غضون فترة زمنية معينة. يزداد عدد الإلكترونات التي تم إخراجها مع زيادة السطوع. كلما زاد عدد الفوتونات الواردة، زاد احتمال تصادمها ببعض الإلكترونات.

يشير التأثير الكهروضوئي بقوة إلى سلوك جسيم للضوء. فاز آينشتاين بجائزة نوبل في الفيزياء في عام 1921 لتفسير التأثير الكهروضوئي. وعلى الرغم من أنه يمكن تفسير العديد من الظواهر الضوئية إما من حيث الموجات أو الجسيمات، فإن بعض الظواهر، مثل أنماط التداخل التي يحصل عليها الضوء عند مروره عبر شظية مزدوجة، تتعارض تماماً مع رؤية جسيم للضوء، بينما تتعارض ظواهر أخرى، مثل التأثير الكهروضوئي، كانت مخالفة تماماً لمنظر موجة من الضوء. وعلى نحو ما، وعلى مستوى أساسي عميق لم يُفهَم بالكامل بعد، فإن الضوء متموج وشبه للجسيمات. ويُعرف هذا بالطبيعة الموجية والجسيمية.

هذا النص مقتبس من Openstax, Chemistry 2e, Section 6.1: Electromagnetic Energy.

عندما يكون الضوء ذو طول موجي وتردد معين،يصطدم بمعدن،ويتم إخراج الإلكترونات من المعدن. تُعرف هذه الظاهرة بالتأثير الكهروضوئي. ومع ذلك،فقط يستطيع الضوء فوق عتبة التردد من إخراج الإلكترونات من المعدن.

الضوء ذو التردد الأقل لا يخرج الإلكترونات،بغض النظر عن شدته. كيف يمكن ذلك؟اقترح ألبرت أينشتاين أن هذا الضوء يتصرف كتيار من الجزيئات أو الحزم الصغيرة. حزمة واحدة أو كمية من الضوء تسمى فوتون.

كل فوتون له طاقة،E،تلك التي تعتمد على تردده،NU. يرتبط الاثنان بهذه المعادلة،حيث ثابت بلانك h وقيمته 6.626 في 10 إلى سالب 34 جول ثانية. الضوء،وبالتالي الفوتونات،ذات التردد العالي لديها طاقة أكبر.

يرتبط الإلكترون بالمعدن بطاقة ربط،فاي. يُعرف هذا أيضًا باسم وظيفة الشغل للمعدن،W. لذا،مقدار من الطاقة أكبر من W مطلوبه للتغلب على القوى الجاذبه و لإزاحة الإلكترون.

عندما يكون الفوتون ذو طاقة أكبر من W يضرب المعدن،وطاقته الزائدة تتحول إلى إلكترون كطاقة حركية ويتم إخراج الإلكترون. لتلخيص التأثير الكهروضوئي،في ضوء منخفض التردد وطويل الموجة لا تخرج أي إلكترونات من المعدن. وعند زيادة شدة الضوء منخفض التردد يزيد فقط عدد الفوتونات.

كل فوتون لا يزال لديه نفس الطاقة،وهو ما لا يكفي لطرد أي إلكترونات. اما اذا كان الضوء ذو طول موجي أقصر،و تردد أعلى من عتبة التردد،فانه يخرج إلكترونات لأن كل فوتون له طاقة أعلى. كلما زاد تواتر الضوء،تزداد طاقة الفوتون،وبالتالي،الطاقة الحركية للإلكترون المقذوف.

كلما زادت شدة الضوء،كلما زاد عدد الفوتونات التي تضرب المعدن،وكلما زاد عدد الإلكترونات المقذوفة. يوضح التأثير الكهروضوئي سلوك جسيمات الضوء.