استعرضنا في هذا البحث الظاهرة الكهروضوئية، والتي أحدثت تأثيرًا عميقًا على العالم بأسره. إن اكتشاف هذه الظاهرة كان له دور بارز في إحداث ثورة في مجال الفيزياء، لاسيما في ميكانيكا الكم. لذا، نقدم لكم تحليلًا شاملاً حول الظاهرة الكهروضوئية من أجل التعرف عليها بشكل أعمق.
مقدمة البحث عن الظاهرة الكهروضوئية
- تُعرف الظاهرة الكهروضوئية، أو المفعول الكهروضوئي، بأنها ظاهرة تتعلق بإطلاق الأجسام الصلبة والسائلة والغازية مجموعة من الإلكترونات نتيجة امتصاص الطاقة المستمدة من الضوء.
- وتتميز هذه الظاهرة بالتفاعل بين السطوح المعدنية والأشعة الكهرومغناطيسية، حيث تطلق المواد الفلزية الإلكترونات عند تعرضها للإشعاعات الضوئية. ومن بين الظواهر ذات العلاقة، الانبعاث الحراري، والثانوي، والكهربي، والكهروضوئي.
- عند تعريض سطح معدني لإشعاع كهرومغناطيسي بتردد معين، يتم امتصاص هذا الإشعاع مما يؤدي إلى خروج العديد من الإلكترونات من هذا السطح.
- عادةً ما يكون هذا التردد المرغوب ترددًا مرئيًا لبعض الفلزات القلوية، بينما يكون قريبًا من الأشعة فوق البنفسجية بالنسبة للفلزات الأخرى، ويعتبر القيمة العظمى لأشعة فوق البنفسجية بالنسبة للعناصر غير الفلزية.
- نظرًا للأهمية الكبيرة للظاهرة الكهروضوئية، سنتناول في القسم المقبل تاريخ اكتشاف هذه الظاهرة الفيزيائية الهامة.
تاريخ اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية
- تعود بدايات اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية إلى عام 1877 م، حيث اكتشفها العالم هيرتز وهالف أخس أثناء ملاحظتهما لسهولة إنتاج شرارات كهربائية عند تعرض مادة لأشعة فوق بنفسجية.
- رغم ذلك، لم يتم الإعلان عن هذا الاكتشاف بشكل رسمي إلا في عام 1900 م من قبل العالم لينارد، واستمر الأمر هكذا حتى عام 1905 م عندما قدم العالم العظيم أينشتاين تفسيرًا شاملًا للظاهرة الكهروضوئية.
- قدّم أينشتاين ورقة بحثية تتناول تفسير النتائج الخاصة بالظاهرة، وأبرز أن طاقة الضوء تأتي في شكل كميات تُعرف بالفوتونات.
- في عام 1921 م، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في فيزياء الكم، تكريمًا لجهوده في البحث والاكتشاف في مجال الظاهرة الكهروضوئية.
الضوء فوق البنفسجي
- الضوء، وخاصةً فوق البنفسجي، قادر على تفريغ جميع الأجسام المشحونة بشحنات سالبة، كما ينتج إشعاعات مشابهة معروفة بأشعة الكاثود.
- يمكن الحصول على الضوء فوق البنفسجي الذي يُحدث هذا التأثير من خلال مصباح قوسي أو من خلال حرق عنصر المغنيسيوم، بالإضافة إلى أنظمة مصنوعة من الزنك والكادميوم.
- يتميز الضوء فوق البنفسجي بغناه الشديد بالأشعة فوق البنفسجية، بينما تحتوي أشعة الشمس على كميات أقل مقارنةً بهذا الضوء.
- أيضًا، يغطي الغلاف الجوي بعض الأشعة فوق البنفسجية قبل وصولها إلى سطح الأرض، مما يجعل تأثيرها مختلفًا عن ذلك الناتج عن المصباح القوسي.
الخلية الكهربائية الضوئية
- تتكون الخلية الكهربائية الضوئية من غلاف شفاف يحتوي على فراغ هوائي، بالإضافة إلى مهبط غير ساخن ذو سطح حساس للضوء، ومصعد يحمل فرق جهد موجب مقارنةً بالمهبط.
- عندما يعبر الضوء عبر الغلاف الشفاف، يصل إلى المهبط مما يؤدي إلى انبعاث العديد من الإلكترونات التي تُجذب بفعل فرق الجهد إلى المصعد، مما يسهم في توليد تيار كهربائي.
- تتعلق شدة التيار الكهربائي الناتج بشدة الضوء الساقط على الخلية وكذا بلون الشعاع وفرق الجهد بين المصعد والمهبط.
- ومع ذلك، تتسم بعض الخلايا الكهربائية الضوئية بضعف الكفاءة في إنتاج الإلكترونات، مما أدى إلى تطوير ما يعرف بالمضاعف الضوئي.
المضاعف الضوئي
- في كثير من الحالات، تفتقر الخلايا الكهربائية الضوئية إلى الحساسية الكافية للكشف عن الضوء المنخفض، وذلك بسبب قلة التيار الناتج عن عدد أقل من الإلكترونات المنبعثة.
- لكن يمكننا مضاعفة عدد هذه الإلكترونات بالإصدار الثانوي، عن طريق طلاء سطح المصعد بمزيج من الفضة والمغنيسيوم، مما يمكن الإلكترونات ذات الطاقة الحركية الكبيرة من إنتاج المزيد من الإلكترونات الثانوية.
- تتسارع الإلكترونات بفعل الحقول الكهربائية في مسارات ثانوية متعددة، مما يمكّن كل واحدة من إصدار الإلكترونات العديدة من الإلكترون الواحد الداخل.
- يتميز المضاعف الضوئي بحساسيته العالية حيث يحتوي على مهبط ضوئي ومجموعة من المسارات الثانوية لإصدار الإلكترونات.
- إن احتوى المضاعف الضوئي على عشرة مسارات ثانوية، تتضاعف الإشارة بمعدل يصل حتى 910، ويمكن استخدام هذه الأجهزة لقياس مستويات الضوء الضعيفة ودراسة الإشعاعات النووية.
- كما يتم استخدام الضوء في نقل البيانات ومعالجتها عبر تجهيزات الإلكترونيات الضوئية، بما في ذلك الديودات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها.
كيفية حدوث الظاهرة الكهروضوئية
- أثبتت الأبحاث أن الظاهرة الكهروضوئية تحدث عندما يتعرض سطح معدني لشعاع كهرومغناطيسي، مما ينتج عنه حرية العديد من الإلكترونات الموجودة فوق ذلك السطح.
- هذا يحدث نتيجة لامتصاص الإلكترون لطاقة أجزاء من أشعة الكهرومغناطيسية، مما يساعد على حصوله على الطاقة الحركية للتحرر. يتطلب حدوث هذه الظاهرة مجموعة من المتغيرات.
- يتعلق الأمر بتردد الأشعة الكهرومغناطيسية، وقوة الشعاع، بالإضافة إلى التيار الناتج وطاقة الحركة للإلكترون المتحرر ونوع المعدن.
- يحتاج التأثير الكهروضوئي إلى عدد كافٍ من الفوتونات، حيث يجب أن تمتلك هذه الفوتونات طاقة تعادل تقريبًا 1 ميغا إلكترون فولت للعناصر ذات الأعداد الذرية الكبيرة.
- تُعتبر هذه الظاهرة مهمة للغاية، إذ تسهم في البحث واكتشاف علوم الطبيعة الكمية، وإتاحة فهم أعمق للضوء والإلكترونات.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية
- تحدث الظاهرة عند تجاوز تردد الموجات الساقطة على السطح تردد العتبة، وهو التردد الأدنى المطلوب لإخراج الإلكترونات من سطح المعدن دون الحاجة لطاقة حركية إضافية.
- تحدث هذه الظاهرة عند سقوط الموجات الكهرومغناطيسية بالتردد المناسب على أي سطح، بغض النظر عن شدة هذه الموجات.
- تعتمد الظاهرة على عدد الإلكترونات المنبعثة من السطح نتيجة لقوة الضوء الساقط، مما يعني أن شدة التيار الكهربائي خلال الدائرة الكهروضوئية تزيد مع زيادة شدة الضوء الساقط.
- هناك علاقة طردية بين طاقة حركة الإلكترونات وتردد الضوء الساقط، وبالتالي فإنه بزيادة حركة الإلكترونات المنبعثة، يرتفع تردد الضوء الساقط على السطح المعدني.
آلية انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية
- تمتلك الفوتونات تركيبة طاقة معينة تتناسب مع تردد الضوء. في طور الانبعاث الضوئي، إذا امتص الإلكترون طاقة فوتون وتمتاز طاقته بأنها تفوق طاقة اقتران المادة، يتم تحريره.
- عندما يكون طاقة الفوتون منخفضة، لا يمكن للإلكترون أن يتحرر من المادة. ومع زيادة قوة الضوء وزيادة عدد الفوتونات، تزداد الكمية الناتجة من الإلكترونات.
- ومع ذلك، فإن هذا لا يؤدي لزيادة الطاقة التي يمتصها الإلكترون، مما يعني أن الطاقة الناتجة من الإلكترونات لا تعتمد على شدة الضوء الساقط.
- إنما تعتمد طاقة الإلكترون الحرة المتحررة على طاقة الفوتون المتساقط، وهذا يتيح لنا الربط بين طاقة الفوتون وطاقة الإلكترون الناتج.
- تستطيع الإلكترونات امتصاص كامل طاقة الفوتونات عند تعرضها لأشعة ضوئية، وغالبًا ما تتبع مبدأ الحصول على كل أو عدم الحصول على أي شيء.
- تُستخدم جميع الطاقة في الفوتون لتحرير إلكترون واحد من الرابطة الذرية، وإذا لم يحدث ذلك، يعود الفوتون للانبعاث مرة أخرى.
- في حالة حدوث امتصاص كامل لطاقة الفوتون، سيتم تحرير جزء منها للإلكترون، بينما يستخدم الباقي لزيادة طاقة الحركة لهذا الإلكترون الحر.
الملاحظات التجريبية الخاصة بالانبعاثات الكهروضوئية
- عند قيام العلماء بالبحث في الظاهرة الكهروضوئية، كان من الضروري تجميع الملاحظات التجريبية المتعلقة بالانبعاثات الإلكترونية الناتجة عن سطح المادة المعرضة للضوء.
- تظهر المعادن المحددة حدًا أدنى من التردد لسطحها؛ فعندما يتعرض السطح لتردد أقل من ذلك، لن تنتج أي إلكترونات ضوئية، وهو ما يعرف بتردد العتبة.
- أما بزيادة تردد الشعاع الساقط مع الحفاظ على عدد الفوتونات ثابتًا، فهذا يؤدي إلى زيادة طاقة الفوتون وزيادة الطاقة الحركية الناتجة للإلكترونات.
- تحدث زيادة في جهد الإيقاف، بالإضافة إلى أن عدد الإلكترونات قد يتغير نظرًا لاحتمالية انبعاث كل فوتون لإلكترون جديد يتناسب مع طاقة الفوتون عند تردد العتبة.
- تعتبر الفترة الزمنية بين سقوط الشعاع على المعدن وخروج الإلكترون الناتج قصيرة جدًا، تقريبًا في حدود عشرة ثوانٍ.
- كذلك، يميل اتجاه توزيع الإلكترونات الناتجة عن سقوط الشعاع على السطح المعدني نحو اتجاه استقطاب الضوء الساقط، في حالة كانت مستقطبة بشكل خطي.
كيفية استغلال الظاهرة الكهروضوئية
- أحدثت الظاهرة الكهروضوئية طفرة كبيرة في مجال الفيزياء، وساهمت في تمكين العلماء من اكتشاف تقنيات متعددة تعتمد على هذا المبدأ.
- في البداية، كانت التطبيقات تقتصر على الألياف البصرية، التي تتضمن الكشف عن الضوء من خلال المصعد والمهبط فقط.
- لاحقًا، تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية في تصنيع الخلايا الشمسية، والتي غالبًا ما تحتوي على مادة السيليكون، وتستخدم في تخزين الطاقة تحت تأثير الشمس.
- كما ظهرت استخدامات جديدة للظاهرة الكهروضوئية في تكنولوجيا التصوير، بما يشمل أنابيب الكاميرات ومكثفات الصور، بالإضافة إلى الاستخدامات في بعض العمليات النووية.
- يمكن أيضًا توظيف الظاهرة الكهروضوئية بفاعلية في تحليل المواد الكيميائية بناءً على الإلكترونات الناتجة عنها.
خاتمة البحث عن الظاهرة الكهروضوئية
تقدم هذه الدراسة الشاملة لمحة كاملة عن الظاهرة الكهروضوئية، التي أكسبت أينشتاين جائزة نوبل وأسهمت بشكل كبير في حياتنا اليومية. لايزال هناك الكثير لنستكشفه ونتعلمه من هذه الظاهرة في المستقبل.
