الظاهرة الكهروضوئية وتطبيقاتها

الظاهرة الكهروضوئية

هي انبعاث الإلكترونات من سطوح معادن معينة عند سقوط ضوء ذي تردد معين مؤثر عليها، وتسمى الإلكترونات المنبعثة بالإلكترونات الضوئية. وأول من لاحظها عملياً العالم هيرتز عام 1887.

الخلية الكهروضوئية

أنبوبة مفرغة من الهواء لها نافذة شفافة من الزجاج أو الكوارتز (لكي تمرر الأشعة فوق البنفسجية زيادة على الضوء المرئي)، فيها لوح باعث (مهبط/كاثود $E$) متصل بالقطب السالب للمصدر، ولوح جامع (مصعد/أنود $C$) متصل بالقطب الموجب.

• عند زيادة فرق الجهد $\Delta V$ بين الجامع والباعث يزداد التيار الكهروضوئي حتى يصل إلى مقداره الأعظم الثابت ويسمى تيار الإشباع.
• عند زيادة شدة الضوء الساقط (لتردد معين مؤثر) يزداد تيار الإشباع، فمضاعفة الشدة تضاعف تيار الإشباع.
• عند عكس القطبية وزيادة سالبية جهد اللوح الجامع، يصبح التيار صفراً عند جهد معين $V_s$ يسمى جهد القطع (الإيقاف)، وهو لا يعتمد على شدة الضوء الساقط، ومقياس للطاقة الحركية العظمى: $(KE)_{max}=\frac{1}{2}mv_{max}^2=eV_s$.

حقائق لم تفسرها الفيزياء الكلاسيكية (النظرية الموجية)

1. لا تنبعث الإلكترونات الضوئية إذا كان تردد الضوء أقل من تردد العتبة $f_0$، وهو أقل تردد يولد الانبعاث الكهروضوئي لذلك المعدن وخاصية مميزة له.
2. $(KE)_{max}$ لا تعتمد على شدة الضوء الساقط.
3. $(KE)_{max}$ تزداد بزيادة تردد الضوء الساقط.
4. تنبعث الإلكترونات آنياً (في أقل من $10^{-9}\,s$) حتى لو كانت شدة الضوء قليلة.

تفسير أينشتين (1905)

اعتمد على مبدأ بلانك؛ فالضوء سيل من الفوتونات طاقة كل منها $E=hf$ و $f=\frac{c}{\lambda}$، والإلكترون يتحرر بامتصاص فوتون واحد. المعادلة الكهروضوئية لأينشتين: $(KE)_{max}=\frac{1}{2}mv_{max}^2=hf-w$، إذ إن دالة الشغل $w=hf_0$ أقل طاقة يرتبط بها الإلكترون بالمعدن (بحدود بضعة eV، و $1\,eV=1.6\times10^{-19}\,J$).

• $E<w$: لا يحدث انبعاث مهما كانت شدة الضوء.
• $E=w$: تتحرر الإلكترونات من سطح المعدن فقط دون أن تكتسب طاقة حركية.
• $E>w$: يحدث انبعاث و $(KE)_{max}=hf-w$.

العلاقة بين $(KE)_{max}$ و $f$ خطية: الخط المستقيم يقطع المحور السيني عند تردد العتبة $f_0$، وميله يمثل ثابت بلانك $h$، وإذا مُدّ قطع المحور الصادي في المقطع السالب $-w$ (دالة الشغل).

طول موجة العتبة $\lambda_0$: أطول طول موجة يستطيع تحرير الإلكترونات الضوئية من سطح معدن معين: $\lambda_0=\frac{c}{f_0}=\frac{hc}{w}$؛ والأطوال الموجية الأطول منه لا تؤدي إلى انبعاث.

تطبيقات: الخلية الكهروضوئية (لقياس شدة الضوء وتحويل الطاقة الضوئية إلى كهربائية كما في الخلايا الشمسية لإضاءة الشوارع)، كاميرات التصوير الرقمية، وإظهار تسجيل الموسيقى المصاحبة لصور الأفلام السينمائية.