$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
التأثير الكهروضوئي هو ظاهرة فيزيائية أساسية لا تحتوي فقط على مجموعة متنوعة من التطبيقات العملية في الوقت الحالي ، ولكنها ألهمت أيضا مجالا جديدا تماما من العلوم.
يحتوي المعدن على العديد من الإلكترونات المتحركة. يمكن إثارة هذه الإلكترونات عند تزويدها بالطاقة. وإذا كانت الطاقة عالية بما فيه الكفاية ، فيمكن إثارة الإلكترونات من المعدن.
عندما يتم إجراء مثل هذه الإثارة بالضوء ، تعرف الإلكترونات المقذوفة باسم الإلكترونات الضوئية ، مما يعطي هذا التأثير اسمه - التأثير الكهروضوئي.
هنا ، سوف نوضح التأثير الكهروضوئي باستخدام صفيحة معدنية من الزنك مشحونة تتعرض لضوء المصباح العادي والأشعة فوق البنفسجية.
قبل أن نتعلم كيفية إجراء التجربة وجمع البيانات ، دعنا نناقش المعلمات والمبادئ التي تحكم هذا التأثير. لقد لوحظ أنه من أجل حدوث التأثير الكهروضوئي ، يجب أن يتجاوز التردد "f" للضوء الحد الأدنى من العتبة "f0" (قراءة f-zero).
لفهم سبب أهمية ذلك ، دعنا نكبر ونلقي نظرة على هذه العملية على المستوى المجهري. عندما يضيء الضوء على معدن ، تمتص الإلكترونات الموجودة في المعدن فوتونات الضوء الفردية. الآن ، لكي يتم إطلاق هذه الإلكترونات من المعدن ، عليها القيام ببعض الأعمال.
وبالتالي ، يجب أن تكون طاقة الفوتون الممتص E أكبر من "وظيفة العمل" W للمعدن ، حيث تمثل وظيفة العمل الحد الأدنى من الطاقة ، أو طاقة العتبة ، اللازمة لتحرير الإلكترون من معدن معين.
الآن نظرا لأن طاقة الفوتون تتناسب طرديا مع تردد الضوء ، فإن طاقة العتبة تتوافق مع تردد العتبة f0.
يتم إعطاء العلاقة بين الطاقة والتردد من خلال هذه المعادلة ، حيث "h" هو ثابت اللوح الخشبي. يمكن أيضا استخدام نفس المعادلة لحساب تردد العتبة.
على سبيل المثال ، وظيفة عمل الزنك هي 4.3 إلكترون فولت. هذا يعني أن تردد عتبة التأثير الكهروضوئي الذي سيحدث في الزنك سيكون 10 ^ 15 هرتز ، وهو ما يتوافق مع طول موجي عتبة 0 من 300 نانومتر. يتوافق هذا الطول الموجي القصير مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية
بعد مراجعة المبادئ الكامنة وراء التأثير الكهروضوئي ، دعنا الآن ننتقل إلى بروتوكول خطوة بخطوة لإثبات هذا التأثير من خلال تجربة بسيطة.
احصل على جميع الأدوات والمواد اللازمة للتجربة وهي منظار كهربائي ، صفيحة معدنية من الزنك ، قطعة من ورق الصنفرة ، مصدر للأشعة فوق البنفسجية يحتوي على مكون طول موجي أقل من 300 نانومتر ، مصباح عادي يوفر ضوءا مرئيا ، قضيب أكريليك ، قطعة من الفراء ، وزوج من النظارات الواقية من الأشعة فوق البنفسجية.
أولا ، باستخدام ورق الصنفرة ، قم بتلميع سطح الصفيحة المعدنية المصنوعة من الزنك. هذا يزيل أكسيد الزنك على سطح المعدن ويسهل نقل الإلكترون. ضع صفيحة الزنك على الصفيحة المعدنية للمنظار الكهربائي. تأكد من أن صفيحة الزنك على اتصال مباشر بالمكشاف الكهربائي.
بعد ذلك ، افركي القضيب بقطعة الفراء من خمس إلى ست مرات ، لجعل القضيب مشحنا سالبا. اجعل القضيب قريبا من صفيحة الزنك مع التأكد من عدم ملامستها لبعضها البعض.
باستخدام اليد الأخرى ، المس لوحة الزنك لفترة وجيزة ، لشحن صفيحة الزنك بشكل إيجابي من خلال الحث. يجب أن تنحرف إبرة المكشاف الكهربائي للإشارة إلى أن اللوح المعدني وجميع الأجزاء الموجودة في المكشاف الكهربائي المتصلة بها مشحونة.
بعد ذلك ، قم بتشغيل المصباح المرئي وجعله قريبا من المكشاف الكهربائي وسلط ضوءه على لوحة الزنك. راقب استجابة المكشاف الكهربائي.
الآن ، قم بإيقاف تشغيل المصباح العادي وارتداء نظارات واقية من الأشعة فوق البنفسجية. قم بإزالة اللوح الزجاجي وقم بتشغيل المصباح للحصول على مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية وجعله قريبا من المكشاف الكهربائي. تسليط ضوء الأشعة فوق البنفسجية على معدن الزنك. راقب استجابة المكشاف الكهربائي. ثم أطفئ ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
الآن ، افركي القضيب مرة أخرى بالفراء من خمس إلى ست مرات ، لجعل القضيب مشحنا سالبا. اجعل القضيب على اتصال مباشر بلوحة الزنك.
سيؤدي ذلك إلى انحراف إبرة المكشاف الكهربائي بسبب نقل بعض الشحنات السالبة إلى صفيحة الزنك. ضع القضيب بعيدا وتأكد من عدم لمس الصفيحة المعدنية المصنوعة من الزنك بيدك أو بأي شيء آخر.
بعد ذلك ، قم بتشغيل المصباح المرئي وجعله قريبا من المكشاف الكهربائي وسلط ضوءه على لوحة الزنك. راقب استجابة المكشاف الكهربائي.
ارتد نظارات واقية من الأشعة فوق البنفسجية. قم بإزالة اللوح الزجاجي وقم بتشغيل ضوء الأشعة فوق البنفسجية وجعله قريبا من المكشاف الكهربائي. تسليط ضوء الأشعة فوق البنفسجية على معدن الزنك. راقب استجابة المكشاف الكهربائي. ثم أطفئ ضوء الأشعة فوق البنفسجية.
دعونا الآن نراجع ونفسر نتائج هذه التجارب.
في النصف الأول من التجربة حيث لا يكون القضيب المشحون وصفيحة الزنك على اتصال مباشر ببعضهما البعض ، تظل الإبرة منحرفة لكل من المصباح العادي وإضاءة ضوء الأشعة فوق البنفسجية ، مما يشير إلى أن لوحة الزنك تظل مشحونة.
يحدث هذا لأن صفيحة الزنك ، التي فقدت بالفعل بعض الإلكترونات لتصبح موجبة الشحنة ، تفقد بعض الإلكترونات الضوئية عندما يضيء عليها ضوء الأشعة فوق البنفسجية. هذا يجعل صفيحة الزنك أكثر شحنة بشكل إيجابي قليلا ، مما يؤدي إلى انحراف إبرة المكشاف الكهربائي أكثر قليلا.
من ناحية أخرى ، عندما يتم تصنيع القضيب المشحون وصفيحة الزنك للتلامس مع بعضهما البعض ، نلاحظ أن استخدام مصباح المصباح العادي ليس له أي تأثير على المكشاف الكهربائي. ومع ذلك ، فإن استخدام مصباح الأشعة فوق البنفسجية يؤدي إلى انهيار إبرة المكشاف الكهربائي والعودة إلى الوضع غير المشحون دون انحراف
يحدث هذا لأن فوتونات ضوء الأشعة فوق البنفسجية فقط لديها طاقة كافية أعلى من وظيفة عمل الزنك ، لإخراج الإلكترونات الضوئية. يؤدي ذلك إلى تفريغ صفيحة الزنك التي كانت سالبة الشحنة سابقا.
كما في الحالة السابقة ، لا يحتوي الضوء المرئي على طاقة كافية لإثارة الإلكترونات الضوئية ، والتي بسببها لا يتم تفريغ صفيحة الزنك.
تمت دراسة الإلكترونيات الضوئية لعقود عديدة حتى الآن وأدت إلى تطوير مجالات جديدة للدراسة وتطبيقات متعددة.
تم استخدام التأثير الكهروضوئي لصنع العديد من الأجهزة الإلكترونية الضوئية التي لها تطبيقات عملية متنوعة. أحد الأمثلة على الجهاز الإلكتروني الضوئي هو المفتاح الكهربائي الحساس للضوء.
هنا ، يؤدي حجب أو إلغاء حظر شعاع الضوء الساطع على معدن إلى إيقاف تشغيل أو تشغيل تيار كهربائي بسبب غياب أو وجود الإلكترونات الضوئية.
تستخدم أجهزة الرؤية الليلية أو NVDs أيضا مبادئ التأثير الكهروضوئي للسماح بإنتاج الصور في مستويات الضوء التي تقترب من الظلام الدامس. باختصار ، تتسبب الفوتونات التي تصطدم بطبقة رقيقة من المعدن القلوي أو مادة أشباه الموصلات داخل الجهاز في طرد الإلكترونات الضوئية بسبب التأثير الكهروضوئي.
يتم تسريع هذه الإلكترونات بواسطة مجال إلكتروستاتيكي وتضاعف من خلال الانبعاثات الثانوية لتكثيف الإشارة الأصلية. ثم يتم تصنيع الإلكترونات المضاعفة لضرب شاشة مغلفة بالفوسفور ، وتحويل الإلكترونات مرة أخرى إلى فوتونات ، وبالتالي تشكيل صورة.
لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للتأثير الكهروضوئي. يجب أن تفهم الآن المفاهيم الأساسية للتأثير الكهروضوئي وأن تفهم أيضا سبب إمكانية تفريغ المعادن المشحونة فقط باستخدام ضوء بتردد معين. بالإضافة إلى ذلك ، أظهر هذا الفيديو تجربة بسيطة لتصور التأثير الكهروضوئي باستخدام صفيحة معدنية من الزنك مشحونة معرضة للضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية. شكرا للمشاهدة!
