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.