Tweet
الظاهرة الكهروضوئية
الظاهرة الكهروضوئية: تحدث عند سقوط إشعاع كهرطيسي على سطح معدن فينتج عنه تحرير الكترونات من سطح المعدن. ولتفسير ما يحدث هو إن جزء من طاقة الشعاع الكهرطيسي يمتصها الإلكترون المرتبط بالمعدن يتحرر منه ويكتسب طاقة حركة.
الخلية الكهروضوئية:
أنبوبة من الزجاج أو الكوارتز مفرغة من الهواء بداخلها صفيحةمعدنية نصف اسطوانية تغطى بفلز معين - الكاثود - وفي محور الاسطوانة سلك معدني - أنود - ويثبت الجميع على قاعدة عازلة.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية:
أولا : تتحقق الظاهرةالكهروضوئية إذا كان تردد الموجات الساقطة أكبر من تردد معين يسمى تردد العتبة.
تردد العتبة:
هو أقل تردد للضوء الساقط يكفي لانبعاث الالكترونات من سطح الفلزدون إكسابها طاقة حركة ويعتمد على نوع المادة التي تغطي سطح الكاثود.
ثانيا : يحدث الانبعاث الكهروضوئي بمجرد سقوط الموجات الكهرومغناطيسية ذاتالتردد المناسب على سطح الكاثود مهما كانت شدة هذه الموجات ضعيفة بمعنى إن تحققالظاهرة لا يحتاج إلى تخزين طاقة.
ثالثا : يعتمد عدد الالكترونات المنبعثة من سطح الكاثود على شدة الضوء الساقطبمعنى أنه تزداد شدة التيار المار في دائرة الخلية الكهروضوئية بزيادة شدة الضوءالساقط.
رابعا :تزداد القيمة العظمى لطاقة حركة الالكترونات المنبعثة من سطح الفلزبزيادة تردد الضوء
سندرس تأثير العوامل السابقة على التيار الكهربائي الناتج والذي يسمىالتيار الفوتوضوئي لأنه نتج عن تحرير الالكترونات بواسطة الضوء.
ولفهم تأثير كل عامل من العوامل السابقة إجراء عدة تجارب عملية تعتمد على تغيير احد هذه العوامل مع تثبيت الباقي ودراسة تأثيره على التيار الفوتوضوئي يوضح الشكل التالي الجهاز المستخدم لهذا الغرض
عندما يسقط شعاع كهرطيسي أحادي اللون على سطح معدن (الأنود) متصل مع الطرف الموجب للبطارية وموجود داخل وعاء مفرغ من الهواء وذلك لمنع تصادم الالكترونات المتحررة بجزيئات الهواء.عندما تتحرر الالكترونات من سطح المعدن وتتمكن من الوصول إلى اللوح السالب (الكاثود) - وفي الأغلب يكون من نفس مادة الأنود - فإن تيارا كهربيا يمر في الدائرة ويمكن قياسه من خلال الأميتر والذي يعبر عن شدة التيار الفوتوضوئي المار في الدائرة وكلما ازدادت عدد الالكترونات المتحررة من سطح المعدن كلما كان التيار الناتج اكبر.
نلاحظ مايلي:
· القوة الكهربائية الناتجة عن المجال الكهربائي بين الكاثود والأنود تعمل في عكس اتجاه حركة الالكترونات.
· طاقة حركة الالكترونات تكون مساوية للشغل المبذول عليها بواسطة المجال الكهربائي من خلال العلاقة التالية:
·
حيث إن:
فرق الجهد المطبق بين لوحي الأنود - الكاثود.
سرعة الالكترونات
ويعمل فرق الجهد هذا على إيقاف الالكترونات ويمكن زيادته تدريجياً إلى أن نصل إلى القيمة التي عندها يسمى فرق الجهد المطبق بفرق جهد الإيقاف وهو الجهد اللازم لإيقاف أسرع الالكترونات أو تلك التي تمتلك أعظم طاقة حركة. وعندها يكون التيار المار في الدائرة مساوياً للصفر.
ومن خلال هذه المعادلة يمكن تقدير أقصى سرعة للالكترونات المنطلقة من الأنود وذلك من خلال زيادة فرق الجهد إلى أن يصبح التيار المار مساويا للصفر ومن ثم إيجاد مقدار هذا الجهد والتعويض في المعادلة (2).
النتائج العملية للتجربة
(1) بمجرد تسليط الشعاع الكهروضوئي على الأنود يمر التيار في الدائرة في نفس اللحظة تقريبا وقد قدر الفارق الزمني
بـ 10-9s ولا يعتمد الفارق الزمني بين سقوط الشعاع الكهرطيسي والمرور التيار على شدة الأشعة أو ترددها.
(2) عند تثبيت التردد وفرق الجهد فإن التيار الكهروضوئي يزداد بزيادة شدة الأشعة الكهرطيسية I الساقطة على الأنود.
(3) عند ثبوت تردد الأشعة الكهرطيسية وشدتها I فإن التيار الكهروضوئي يقل بزيادة فرق الجهد المطبق حتى تصل إلى القيمة صفر. وعندها تكون قيمة فرق الجهد هي Vo والتي تسمى بجهد الإيقاف . ولا تعتمد قيمة جهد الإيقاف على شدة الأشعة الكهرطيسية عند نفس التردد ولنفس المعدن
(4) وجد عمليا أن قيمة جهد الإيقاف تعتمد على تردد الأشعة الكهرطيسية فكلما زاد التردد كلما كانت قيمة جهد الإيقاف اكبر. قيمة جهد الإيقاف تتغير بتغير نوع مادة المعدن. كما وجد أيضا أن قيمة جهد الإيقاف لا تعتمد على شدة الأشعة الكهرطيسية.
كما تجدر الإشارة هنا إلى أن أدنى تردد مطلوب للانبعاث الالكتروني من سطح المعدن يسمى بالتردد الحرج
بـ 10-9s ولا يعتمد الفارق الزمني بين سقوط الشعاع الكهرطيسي والمرور التيار على شدة الأشعة أو ترددها.
(2) عند تثبيت التردد وفرق الجهد فإن التيار الكهروضوئي يزداد بزيادة شدة الأشعة الكهرطيسية I الساقطة على الأنود.
(3) عند ثبوت تردد الأشعة الكهرطيسية وشدتها I فإن التيار الكهروضوئي يقل بزيادة فرق الجهد المطبق حتى تصل إلى القيمة صفر. وعندها تكون قيمة فرق الجهد هي Vo والتي تسمى بجهد الإيقاف . ولا تعتمد قيمة جهد الإيقاف على شدة الأشعة الكهرطيسية عند نفس التردد ولنفس المعدن
(4) وجد عمليا أن قيمة جهد الإيقاف تعتمد على تردد الأشعة الكهرطيسية فكلما زاد التردد كلما كانت قيمة جهد الإيقاف اكبر. قيمة جهد الإيقاف تتغير بتغير نوع مادة المعدن. كما وجد أيضا أن قيمة جهد الإيقاف لا تعتمد على شدة الأشعة الكهرطيسية.
كما تجدر الإشارة هنا إلى أن أدنى تردد مطلوب للانبعاث الالكتروني من سطح المعدن يسمى بالتردد الحرج
لا يمكن أن نحصل على تيار كهروضوئي إلا إذا كان تردد الأشعة االكهرطيسية اكبر من التردد الحرج.لأي معدن يستخدم في التجربة فقد وجد من تحليل النتائج العملية للتجربة (4) أن المنحنيات هي معادلة خط مستقيم يأخذ المعادلة التالية:
Vo = hn - hno (3)
حيث أن h هي ميل المنحنى والتي وجدت أنها ثابتة لكل المعادن المستخدمة في التجارب. وأن هي التردد الحرج لكل معدن. كما يمكن كتابة المعادلة السابقة بالصورة التالية:
hn = 1/2mv2max + hno (4)
التفسير الفيزيائي لنتائج التجارب العملية السابقة:
لم يتمكن العلماء من إيجاد تفسير لنتائج التجارب العملية للظاهرة الكهروضوئية اعتمادا على النظرية الموجية:
· لم تستطع تفسير وجود ترددالعتبة أو الطول الموجى الحرج.
· لم تستطع تفسير الانطلاق الفوري للالكتروناتمن سطح الفلز بمجرد سقوط ضوء يمتلك تردد أكبر من تردد العتبة مهما كانت شدته ضعيفة.
· لم تستطع تفسير اعتماد طاقة حركةالالكترونات الضوئية المنبعثة من سطح الكاثود على تردد الضوء.
تفسير اينشتاينللظاهرة الكهروضوئية:
قام العالم ألبرت اينشتاين بتطبيق نظرية الكم على الاشعاع الكهرطيسي في عام 1905.
افترض اينشتاين أن الضوء عبارة عن كماتمن الطاقة أسماها فوتوناتإذا أي موجة كهرطيسية ذات ترددمعين هي سيل من الفوتوناتكل فوتون يمتلك طاقة تحسب منالمعادلة
يحمل طاقة E تعتمد على تردده من خلال المعادلة التالية:
E = hn = hc/l (5)
حيث ان الثابت h هو ثابت بلانك Planck constant
h=6.626´10-34 J.s
من وجهة نظر ميكانيكا الكم فإن الشعاع الضوئي ذو الترددnيحتوي على عدد من الفوتونات طاقة كل فوتون هي hn. يتعامل كل فوتون مع إلكترون مرتبط بسطح المعدن فإذا كانت طاقة الفوتون هذه اكبر من طاقة ربط الإلكترون بالمعدن فإنه يتحرر من سطح المعدن وباقي طاقة الفوتون يكتسبها الإلكترون المتحرر على شكل طاقة حركة تمكنه من الوصول إلى الكاثود.
وبناء على ما سبق يمكن تفسير نتائج التجارب العملية للظاهرة الكهروضوئية على النحو التالي:
النتيجة (4)
توضح المعادلة (4) مفهوم الطاقة المتبادلة بين الفوتون والإلكترون الذي يعطي التيار الكهروضوئي.
hn = 1/2mv2max + hno (4)
حيث يمثل الطرف الأيسر من المعادلة الطاقة التي يحملها الفوتون الساقط على سطح المعدن والتي يكتسبها الإلكترون المرتبط بسطح المعدن. يتحرر الإلكترون الأقل ارتباطاً بسطح المعدن مكتسباً طاقة حركية kinetic energy. أما الطرف الأيمن من المعادلة يعطي طاقة الإلكترون التي يكتسبها من الفوتون على صورة طاقة حركية وطاقة ربط. ويعبر عن طاقة ربط الإلكترون بسطح المعدن بالرمزjوالذي يعرف على انه دالة الشغل work function والتي تعرف على إنها الشغل اللازم لتحرير الإلكترون الأقل ارتباطا بسطح المعدن. وتعتمد دالة الشغل على نوع المعدن.
j = hno (6)
ويمكن كتابة المعادلة (4) على الصورة التالية:
hn = 1/2mv2max + j (7)
ولهذا فإن تردد الأشعة االكهرطيسية للحصول على تيار كهربي يجب أن يكون طاقته اكبر من دالة الشغل.
النتيجة(3)
أعظم طاقة حركة يكتسبها الإلكترون عند تردد معين للأشعة االكهرطيسية تعتمد فقط علىa التردد لان التردد يحدد قيمة طاقة الفوتون من خلال E=h.
النتيجة(2)
شدة الأشعة االكهرطيسية من وجه نظر ميكانيكا الكم تكون عبارة عن طاقة الفوتون مضروبة في عدد الفوتونات الساقطة على المعدن لكل وحدة زمن لكل وحدة مساحة. ولهذا يمكن تفسير النتيجة الثانية على انه بزيادة شدة الأشعة االكهرطيسية يزداد عدد الفوتونات وبالتالي يزداد عدد الالكترونات المتحررة ويزداد التيار الكهروضوئي.
النتيجة(1)
التيار الكهروضوئي يمر في الدائرة الكهربائية بمجرد سقوط الفوتون على الإلكترون بدون أي تأخير زمني لان إذا كانت طاقة الفوتون الواحد كافية لتحرير الإلكترون يتحرر مباشرة لينقل التيار ولا يحدث في أي حال من الأحوال أن تتراكم الفوتونات على الإلكترون لتكسبه الطاقة على شكل تراكمي حيث أن طاقة الربط لا تعتمد على شدة الأشعة إنما تعتمد على ترددها
.gif "Icon (12)")
Comment