المدرس العربي

الظاهرة الكهروضوئية

by:alomda60@hotmail.com

 

Photoelectric Phenomenon effect

مقدمة تاريخية

في عام 1887 وجد هيرتز أنه عند تعريض فجوة شرارية واقعة تحت جهد مرتفع للأشعة فوق البنفسجية أن هذا يسهل التفريغ خلال الهواء بمعنى أن التفريغ يحدث على مسافة بين الالكترودين لا يحدث فيها تفريغ اذا كانت الاشعة غير موجودة وقد اكتشف هيرتز أن أشعة الضوء اذا سقطت على سطح معدني فانها تتسبب في انبعاث الكترونات من هذا السطح ويمكن رصد هذه الظاهرة بالتجربة التالية نشحن كشاف كهربائي بشحنة سالبة ونلامس قرص الكشاف بصفيحة من الزنك ونسقط عليها أشعة فوق بنفسجية ؛ نلاحظ انطباق ورقتي الكشاف أما اذا شحن الكشاف بشحن موجبة نلاحظ أن انفراج ورقتي الكشاف يزداد


المصطلحات

الظاهرة الكهروضوئية

هي ظاهرة انطلاق الالكترونات من سطوح الفلزات عند تعرضها للضوء أو لموجات كهرومغناطيسية مناسبة

الخلية الكهروضوئية

انبوبة من الزجاج أو الكوارتز مفرغة من الهواء بداخلها صفيحة معدنية نصف اسطوانية تغطى بفلز معين - الكاثود - وفي محور الاسطوانة سلك معدني - انود - ويثبت الجميع على قاعدة عازلة 

 خصائص الظاهرة الكهروضوئية

أولا : تتحقق الظاهرة الكهروضوئية اذا كان تردد الموجات الساقطة أكبر من تردد معين يسمى تردد العتبة

تردد العتبة

هو أقل تردد للضوء الساقط يكفي لانبعاث الالكترونات من سطح الفلز دون اكسابها طاقة حركة ويعتمد على نوع المادة التي تغطي سطح الكاثود

ثانيا : يحدث الانبعاث الكهروضوئي بمجرد سقوط الموجات الكهرومغناطيسية ذات التردد المناسب على سطح الكاثود مهما كانت شدة هذه الموجات ضعيفة بمعنى ان تحقق الظاهرة لا يحتاج الى تخزين طاقة

ثالثا :  يعتمد عدد الالكترونات المنبعثة من سطح الكاثود على شدة الضوء الساقط بمعنى أنه تزداد شدة التيار المار في دائرة الخلية الكهروضوئية بزيادة شدة الضوء الساقط

رابعا تزداد القيمة العظمى لطاقة حركة الالكترونات المنبعثة من سطح الفلز بزيادة تردد الضوء الساقط

 

اشرح تفسير اينشتاين للظاهرة الكهروضوئية

النظرية الكمية

النظرية الموجية لم تستطع تفسير وجود تردد العتبة أو الطول الموجي الحرج

لم تستطع تفسير الانطلاق الفوري للالكترونات من سطح الفلز بمجرد سقوط ضوء يمتلك تردد أكبر من تردد العتبة مهما كانت شدته ضعيفة

لم تستطع تفسير اعتماد طاقة حركة الالكترونات الضوئية المنبعثة من سطح الكاثود على تردد الضوء الساقط

علل فشل النظرية الموجية في تفسير الظاهرة الكهروضوئية

تفسير اينشتاين للظاهرة الكهروضوئية

افترض اينشتاين أن الضوء عبارة عن كمات من الطاقة أسماها فوتونات

اذا أي موجة كهرومغناطيسية ذات تردد معين هي سيل من الفوتونات

E= hf كل فوتون يمتلك طاقة تحسب من المعادلة

عند سقوط الضوء على سطح الفلز تتعامل فوتوناته مع الكترونات السطح بشكل فردي

كل فوتون من فوتونات الضوء الساقط يتعامل مع الكترون واحد فقط ويمنحه طاقته

يستغل الالكترون هذه الطاقة لأمرين

الأمر الأول هو استنفاذ جزء من الطاقة للتحرر من سطح الفلز ويسمى هذا الجزء دالة الشغل ( أقل طاقة للفوتون تسمح بانبعاث الكترون من سطح فلز ما وتعتمد على نوع الفلز )  وهي ثابتة للمادة الواحدة

الأمر الثاني استنفاذ الجزء المتبقي من الطاقة في اكتساب طاقة حركة للخروج من السطح

hf = W + 1/2 mv2 معادلة اينشتاين لتفسير الظاهرة الكهروضوئية

W = h f o دالة الشغل

h ثابت بلانك

 1 / 2 mv2 = h ( f - fo )


تجربة لتحقيق معادلة اينشتاين

أدوات التجربة

مصباح بخار الزئبق - مجموعة من المرشحات اللونية للحصول على أشعة ضوئية أحادية اللون ذات ترددات مختلفة - خلية كهروضوئية - مقسم جهد - بطارية - مفتاح عاكس - فولتميتر - ميكرو أميتر

خطوات العمل والملاحظات

نسقط ضوء وحيد اللون على الكاثود

 عند توصيل الأنود بالقطب الموجب للبطارية والكاثود بالقطب السالب  نستخدم موزع الجهد لزيادة فرق الجهد بالتدريج

نلاحظ أن تزداد شدة التيار ثم تثبت ( تصبح غير معتمدة على الفلطية ) وتسمى القيمة تيار الاشباع

 شدة التيار الكهربائي تعتبر معيارا كميا للظاهرة الكهروضوئية حيث أنه بزيادة شدة الضوء الساقط عند ثبوت فرق الجهد تزداد شدة التيار

 عند انقاص  الجهد مع ثبات شدة الضوء نلاحظ أن شدة التيار تتناقص ولكن لا تصل الى الصفر بمعنى أن التيار لا ينعدم في الدائرة الخارجية حتى عندما يكون فرق الجهد مساويا للصفر وتعليل ذلك أن  فوتونات الضوء الساقط تمتلك طاقة كبيرة تكفي لانبعاث الالكترونات من سطح الفلز وتزويدها بطاقة حركة 

باستخدام المفتاح العاكس نبدل توصيل قطبي البطارية بحيث يتصل الانود بقطبها السالب والكاثود بالقطب الموجب 

بزيادة الجهد السالب على الانود بواسطة مقسم الجهد يزداد المجال المعاكس ويقل عدد الالكترونات التي تستطيع الوصول الى الانود ونستمر في زيادة الجهد حتى تصبح شدة التيار مساوية للصفر ويتوقف التيار ويسمى الجهد في هذه الحالة جهد الايقاف 

جهد الايقاف أو جهد الاعاقة 

هو أقل جهد يلزم لايقاف الالكترونات ذات أقصى طاقة حركة من الوصول الى الانود 

حساب طاقة الحركة 

بما أن طاقة وضع الالكترونات عند وصولها الى الانود = طاقة الحركة الابتدائية للالكترونات 

1/2  mv2 max = Vo

hf = W +  1/2  mv2 max   

hf = W + Vo

 Vo e = hf -  h f o

 Vo = hf/ e -W /

المعادلة الأخيرة يمكن مقارنتها بمعادلة خط مستقيم ( ص = أ س + ب ) وبرسم العلاقة بين التردد على المحور السيني وجهد الايقاف على المحور الصادي نحصل على الشكل كما في الصورة ومنه يمكن ايجاد تردد العتبة ( الجزء المقطوع من محور السينات ) ويمكن حساب ثابت بلانك من العلاقة 

tan Ø= h / e 

ملاحظات هامة 

 تعتمد طاقة الحركة على تردد الضوء الساقط ( طول الموجة ) ونوع مادة الكاثود ولا تعتمد على  شدة الضوء الساقط وكلما زاد الطول الموجي للضوء الساقط كلما قلت طاقة الحركة للالكترونات وعند طول موجي معين لا تتحقق الظاهرة الكهروضوئية

الطول الموجي الحرج هو أكبر طول موجي للضوء الساقط يكفي لانبعاث الكترونات من سطح الفلز دون اكسابها طاقة طاقة حركة

الالكترونات التي لها أكبر طاقة حركة هي الالكترونات القريبة من سطح الفلز حيث تنطلق من السطح قبل أن تفقد طاقة بسبب اصطدامها بذرات الفلز الأخرى


بريمج جافا محاكاة حاسوبية  للتجربة السابقة لتحقيق معادلة اينشتاين

المراسلة

مسائل محلولة على الظاهرة الكهروضوئية

معلم الفيزياء

دليل العمدة

طرق تدريس 

دليل العمدة التربوي

الإدارة العامة للتعليم -الرياض