ما التأثير الكهروضوئي؟
التأثير الكهروضوئي هو انبعاث إلكترونات من سطح معدن عندما يسقط عليه ضوء مناسب. هذه الظاهرة كانت مهمة جدًا في تطور الفيزياء الحديثة؛ لأنها أظهرت أن الضوء لا يتصرف كموجة فقط، بل يمكن أن يتصرف كجسيمات صغيرة من الطاقة تسمى فوتونات.
المفاجأة في الظاهرة أن زيادة شدة الضوء لا تكفي دائمًا لإخراج الإلكترونات. إذا كان تردد الضوء أقل من قيمة معينة، فلن تنبعث إلكترونات مهما زادت الشدة. هنا الفيزياء تقول بوضوح: ليست كل إضاءة قوية مفيدة، أحيانًا التردد هو صاحب القرار.
فكرة الفوتون
الفوتون هو كمّ من الطاقة الضوئية. طاقة الفوتون تعتمد على تردد الضوء وفق علاقة بلانك:
\( E = hf \)
حيث:
- \( E \): طاقة الفوتون.
- \( h \): ثابت بلانك.
- \( f \): تردد الضوء.
كلما زاد التردد زادت طاقة الفوتون. لذلك الضوء البنفسجي أو فوق البنفسجي يحمل فوتونات أعلى طاقة من الضوء الأحمر غالبًا.
ما تردد العتبة؟
تردد العتبة هو أقل تردد للضوء يستطيع أن يحرر إلكترونات من سطح معدن معين. يرمز له غالبًا بالرمز \( f_0 \).
إذا كان:
- \( f < f_0 \): لا تنبعث إلكترونات.
- \( f = f_0 \): تنبعث الإلكترونات بالكاد، وتكون طاقتها الحركية العظمى صفرًا تقريبًا.
- \( f > f_0 \): تنبعث الإلكترونات بطاقة حركية.
دالة الشغل وعلاقتها بتردد العتبة
دالة الشغل \( \\phi \) هي أقل طاقة يحتاجها الإلكترون للخروج من سطح المعدن. عند تردد العتبة تكون طاقة الفوتون مساوية تمامًا لدالة الشغل:
\( \\phi = hf_0 \)
إذن:
\( f_0 = \\frac{\\phi}{h} \)
كلما زادت دالة الشغل للمعدن، احتاج إلى تردد عتبة أكبر.
مثال محلول: حساب تردد العتبة
معدن دالة شغله \( 3.0 \\; eV \). إذا كان ثابت بلانك بوحدة \( eV\\cdot s \) يساوي تقريبًا \( 4.14 \\times 10^{-15} \\; eV\\cdot s \)، احسب تردد العتبة.
نستخدم:
\( f_0 = \\frac{\\phi}{h} \)
\( f_0 = \\frac{3.0}{4.14 \\times 10^{-15}} \\approx 7.25 \\times 10^{14} \\; Hz \)
إذن تردد العتبة يساوي تقريبًا \( 7.25 \\times 10^{14} \\; Hz \).
ما دور شدة الضوء؟
إذا كان تردد الضوء أكبر من تردد العتبة، فإن زيادة الشدة تزيد عدد الفوتونات الساقطة في الثانية، وبالتالي يمكن أن تزيد عدد الإلكترونات المنبعثة. لكنها لا تزيد الطاقة الحركية العظمى لكل إلكترون بالطريقة نفسها التي يفعلها التردد.
أما إذا كان التردد أقل من تردد العتبة، فإن زيادة الشدة تعني فوتونات أكثر، لكن كل فوتون ما زال غير كافٍ لتحرير إلكترون. كأنك ترسل عددًا كبيرًا من المفاتيح الخاطئة؛ كثرتها لا تفتح الباب.
أهمية التأثير الكهروضوئي
التأثير الكهروضوئي دعم فكرة أن الطاقة الضوئية تأتي على شكل كمات منفصلة. وله تطبيقات في الخلايا الكهروضوئية والحساسات الضوئية وبعض تقنيات القياس والكشف عن الضوء.
أخطاء شائعة
- القول إن زيادة شدة الضوء كافية دائمًا لتحرير الإلكترونات.
- الخلط بين شدة الضوء وتردد الضوء.
- نسيان أن لكل معدن دالة شغل مختلفة، وبالتالي تردد عتبة مختلف.
- اعتبار الضوء الأقل ترددًا يعطي إلكترونات أبطأ فقط، بينما قد لا يعطي إلكترونات أصلًا إذا كان دون العتبة.
- نسيان تحويل دالة الشغل بين الجول والإلكترون فولت عند الحاجة.
خلاصة
التأثير الكهروضوئي يحدث عندما تمتص إلكترونات المعدن فوتونات طاقتها كافية للتحرر. تردد العتبة هو أقل تردد يسبب الانبعاث، ويرتبط بدالة الشغل بالعلاقة \( \\phi = hf_0 \). الشدة تؤثر في عدد الإلكترونات المنبعثة فقط إذا كان التردد مناسبًا.
