البحث عن الظاهرة الكهروضوئية ، اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية ترك أثراً كبيراً على العالم كله ، وقد أحدث هذا الاكتشاف ثورة في عالم الفيزياء وخاصة فيزياء الكم ، الظاهرة الكهروضوئية ، أو ما يعرف بالتأثير الكهروضوئي ، هي ظاهرة تحدث نتيجة إطلاق الأجسام الصلبة والسائلة والغازية لمجموعة من الإلكترونات ، عندما تبدأ في امتصاص الطاقة المشتقة من الضوء. ولذلك نقدم لكم بحثاً عن الظاهرة الكهروضوئية لتتعلموا. المزيد عن ذلك.
في الظاهرة الكهروضوئية
تُعرف هذه الظاهرة أيضًا بإطلاق مجموعة من الإلكترونات بواسطة الأسطح المعدنية عند تعرضها للموجات الكهرومغناطيسية أو الأشعة الضوئية ، وتشمل هذه الظواهر الانبعاث الحراري والثانوي والكهربائي والكهروضوئي:
- عندما نعرض سطحًا معدنيًا للإشعاع الكهرومغناطيسي فوق تردد معين ، فسيتم امتصاص الإشعاع وسيتم طرد العديد من الإلكترونات من هذا السطح.
- في معظم الأحيان ، يكون هذا التردد المعين ترددًا مرئيًا لبعض الفلزات القلوية ، وهو قريب من الأشعة فوق البنفسجية مقارنة بباقي المعادن ، ويعتبر القيمة القصوى للإشعاع فوق البنفسجي غير الفلزي.
- بسبب هذه الأهمية الكبيرة لظاهرة الكهروضوئية التي سنتعرض لها بالبحث ، كان من الضروري أن تتعلم في الفقرة التالية عن تاريخ اكتشاف هذه الظاهرة الفيزيائية المهمة.
- يعود اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية إلى عام 1877 م ، واكتشفها العالم هيرتز و Half-Achs ، عندما لاحظ سهولة توليد بعض الشرارات الكهربائية عند تعرض سطح مصنوع من مادة تنقل الأشعة فوق البنفسجية.
- لكن هذا الاكتشاف لم يعلن عنه رسميًا حتى عام 1900 م ، من قبل العالم ليونارد ، واستمر على هذا النحو حتى عام 1905 م ، عندما أعلن العالم العظيم أينشتاين تفاصيله عن الظاهرة الكهروضوئية.
- قدم أينشتاين ورقة بحثية علمية تحتوي على شرح متكامل لنتائج الظاهرة الكهروضوئية العملية ، وأوضح أن طاقة الضوء تتراكم على شكل كميات من الطاقة تعرف بالفوتونات.
- في عام 1921 ، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في فيزياء الكم ، نتيجة البحث العلمي الطويل والفائدة التي قدمها العلم والعالم بأسره في البحث والاكتشاف في ظاهرة الكهروضوئية.
ضوء الأشعة فوق البنفسجية
يمكن للضوء ، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية ، تفريغ جميع الأجسام السالبة الشحنة ، وتوليد إشعاع مماثل لطبيعته ، والمعروف باسم أشعة الكاثود:
- يمكن الحصول على الضوء فوق البنفسجي الذي يسبب هذا التأثير من مصباح القوس ، عن طريق حرق عنصر المغنيسيوم ، أو عن طريق صنع ملف بين أحد طرفي الزنك ونهاية الكادميوم.
- الأشعة فوق البنفسجية غنية جدًا بالأشعة فوق البنفسجية ، على عكس أشعة الشمس التي لا تحتوي على الأشعة فوق البنفسجية بقدر هذا الضوء.
- حتى كمية الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في أشعة الشمس يتم امتصاصها بالكامل بواسطة الغلاف الجوي قبل الوصول إلى الأرض ، وبشكل عام لا تعطي نفس تأثير مصباح القوس.
- تتكون الخلية الكهربائية من غلاف شفاف بداخله خالي من الهواء ، بالإضافة إلى كاثود غير مسخن بسطح كبير يتكون من مادة حساسة للضوء ، وأيضًا مصعد محمول إلى جهد كهربائي يكون موجبًا عند مقارنته بالكاثود .
- يمر الضوء عبر الغلاف الشفاف ويصل إلى القطب السالب ويسبب إطلاق العديد من الإلكترونات منه ، والتي تنجذب بفرق الجهد المطبق على الأنود وتساعد في توليد تيار كهربائي أنود.
- ترتبط قوة تيار الأنود بقوة الضوء الساقط عليه من خلال الغلاف الشفاف ، وكذلك لون هذه الحزمة ، وكذلك فرق الجهد المطبق بين الأنود والكاثود.
- لكن من الممكن في كثير من الحالات أن تكون الخلية الكهروضوئية ضعيفة ، لأنها لا تنتج الكثير من الإلكترونات ، لذلك اخترع العلماء ما يسمى بالمضاعف الضوئي.
حول مضاعف ضوئي
في كثير من الحالات ، لا تكون الخلايا الكهروضوئية حساسة للغاية للكشف عن الخيوط الضوئية الضعيفة ، ويرجع ذلك إلى ضعف التيار الناتج عن عدد قليل من الإلكترونات المستخرجة:
- ولكن يمكن مضاعفة عدد هذه الإلكترونات عن طريق الانبعاث الثانوي ، بحيث نقوم بتغطية سطح الأنود بمزيج من الفضة والمغنيسيوم ، مما يتسبب في إصدار الإلكترون التالي ذي الطاقة الحركية الضخمة للعديد من الإلكترونات الثانوية.
- تتسارع الإلكترونات في المجالات الكهربائية في مسارات ثانوية متتالية ، يصدر كل منها العديد من الإلكترونات لإلكترون وارد واحد.
- جهاز المضاعف الضوئي حساس للغاية ، ويتكون من كاثود عالي الحساسية ، والعديد من المسارات الثانوية التي تساعد في الانبعاث الثانوي ، والأنود.
- إذا تضمن المضاعف الضوئي عشرة مسارات ثانوية ، تتضاعف الإشارة بشكل كبير حتى تصل إلى 910. يمكن استخدام هذه المضاعفات الضوئية لقياس المضاعفات الضوئية الضعيفة ودراسة الإشعاع النووي.
- يستخدم الضوء أيضًا لنقل جميع البيانات ومعالجتها من خلال استخدام المعدات الإلكترونية الضوئية ، بما في ذلك الثنائيات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها الكثير.
كيف تحدث الظاهرة الكهروضوئية
لقد أثبت العلم أن الظاهرة الكهروضوئية تحدث عندما تنبعث بعض الأشعة الكهرومغناطيسية على سطح معدني ، مما يؤدي إلى تحرير العديد من الإلكترونات الموجودة فوق هذا السطح:
- يحدث هذا نتيجة امتصاص أجزاء من الأشعة الكهرومغناطيسية لذلك الإلكترون المرتبط بهذا المعدن ، وبالتالي اكتساب الطاقة الحركية التي تؤدي إلى تحريره ، ويتطلب حدوث هذه الظاهرة متغيرات عديدة.
- هذه المتغيرات هي تردد الأشعة الكهرومغناطيسية ، وقوة الأشعة الكهرومغناطيسية ، وكذلك التيار الكهروضوئي ، والطاقة الحركية للإلكترون المنطلق من سطح المعدن ، ونوع هذا المعدن.
- يتطلب التأثير الكهروضوئي وجود العديد من الفوتونات ، وهذه الفوتونات لها طاقة متعادلة تقارب الميجا إلكترون فولت في العناصر ذات العدد الذري الكبير.
- تعتبر هذه الظاهرة من الظواهر المهمة للغاية ، حيث تساعد في البحث والكشف عن العلوم الطبيعية الكمومية للضوء وكذلك الإلكترونات ، وتساعد في فهمها عن كثب وعن قرب.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية
تحدث هذه الظاهرة إذا كانت قيمة تردد الموجات المتساقطة على السطح أكبر من تردد الحد ، وكان تردد الحد هو التردد الأدنى للضوء الذي يكفي لإرسال الإلكترونات من سطح المعدن دون إعطائه أي حركية طاقة:
- تحدث هذه الظاهرة بعد السقوط الفوري للموجات الكهرومغناطيسية للتردد المناسب على أي سطح ، بغض النظر عن شدة هذه الموجات الكهرومغناطيسية.
- تعتمد هذه الظاهرة على عدد الإلكترونات المنبعثة من السطح في اتجاه قوة الضوء الساقط ، وهذا يعني أن شدة هذا التيار الذي يمر في دائرة الخلية الكهروضوئية تزداد مباشرة بعد شدة الضوء الساقط. يزيد.
- هناك علاقة مباشرة بين طاقة حركة الإلكترونات وتواتر سقوط هذا الضوء على سطح المعدن. إذا زادت القيمة القصوى لحركة الإلكترونات المنبعثة ، يزداد تواتر سقوط الضوء على سطح المعدن.
- تمتلك الفوتونات طاقة محددة تتناسب مع تردد الضوء. في عملية انبعاث الضوء ، إذا امتص إلكترون طاقة فوتون واحد وكانت طاقته أكبر من اقتران العمل للمادة ، فسنحصل على الإلكترون.
- ولكن إذا كانت طاقة الفوتون منخفضة ، فلن يتمكن الإلكترون من التحرر من المادة ، وعندما تزداد قوة الضوء ، يزداد عدد الفوتونات المنتجة ، مما يؤدي إلى زيادة كمية الإلكترونات المتولدة.
- لكن هذا لا يؤدي إلى زيادة الطاقة التي يمتصها الإلكترون ، وبالتالي يُستنتج أن هذه الطاقة الموجودة في الإلكترون الناتج لا تعتمد على قوة الضوء الساقط على سطح المعدن.
- لكن الطاقة في الإلكترون تعتمد فقط على طاقة الضوء ، وبالتالي يمكننا ربط طاقة الفوتون الساقط على السطح وطاقة الإلكترون الناتج.
- أيضًا ، يمكن لهذه الإلكترونات أن تمتص كل طاقة الفوتونات عند تعرضها لأي شعاع ضوئي ، وغالبًا ما تتبع مبدأ الحصول على كل شيء أو الحصول على لا شيء.
- يتم امتصاص كل الطاقة الموجودة في الفوتون واستخدامها لتحرير إلكترون واحد فقط من الرابطة الذرية ، وإلا ستنبعث كل طاقة الفوتون مرة أخرى.
- إذا تم امتصاص كل طاقة الفوتون ، فإن جزءًا من هذه الطاقة سيحرر الإلكترون من الذرة ، وستعمل بقية الطاقة على زيادة الطاقة الحركية لهذا الإلكترون الحر.
الملاحظات التجريبية للانبعاثات الكهروضوئية
عندما يبحث العلماء ويكتشفون الظاهرة الكهروضوئية ، كان من الضروري شرح الملاحظات التجريبية لانبعاث الإلكترونات التي تنتج من سطح مادة معرضة للضوء:
- في حالة وجود معدن معين ، يوجد حد أدنى لتكرار سطح هذا المعدن. عندما نعرض سطح هذا المعدن لتردد أقل ، فإنه لا ينتج أي إلكترونات ضوئية ، والاسم العلمي لهذا التردد هو عتبة التردد.
- ولكن عند زيادة وتيرة سقوط الشعاع على سطح المعدن والحفاظ على ثبات عدد الفوتونات المتساقطة عليه ، فإن هذا سيزيد من طاقة الفوتون ، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية الناتجة عن هو – هي.
- يؤدي هذا إلى زيادة في جهد التوقف ، ويتغير عدد الإلكترونات بسبب احتمالية أن يصدر كل فوتون إلكترونًا بالتزامن مع طاقة الفوتون عند تردد العتبة.
- الوقت بين شعاع الحادث على سطح المعدن وخروج الإلكترون الناتج عن هذا الخريف هو فترة زمنية قصيرة بشكل ملحوظ ، تقترب من عشر ثوان.
- يصل اتجاه توزيع هذه الإلكترونات الناتج عن سقوط شعاع الضوء على سطح المعدن إلى اتجاه الاستقطاب أو ما يعرف باسم اتجاه المجال الكهربائي للضوء الساقط ، إذا كان مستقطبًا خطيًا.
كيفية استغلال الظاهرة الكهروضوئية
أحدثت الظاهرة الكهروضوئية قفزة كبيرة في الفيزياء ، وساعدت العديد من العلماء على اكتشاف العديد من الاختراعات وإجراء البحوث عليها بناءً على الظاهرة الكهروضوئية:
- كان استخدام الخلايا الكهروضوئية يعتمد في البداية على تطبيقات الألياف الضوئية ، والتي كانت تعمل على اكتشاف الضوء من خلال المصعد والكاثود فقط.
- في وقت لاحق ، تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية في الخلايا الشمسية ، والتي تتكون في الغالب من السيليكون الخاص بها ، وتستخدم كبطاريات لتخزين الطاقة عند تعرضها للشمس لاستخدامها لاحقًا.
- كما تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية مؤخرًا في تقنيات التصوير ، حيث تعمل في أنابيب الكاميرات ومكثفات الصور ، ويمكن أيضًا استخدامها في بعض العمليات النووية.
- من الممكن أيضًا استخدام الظاهرة الكهروضوئية بشكل فعال في تحليل العديد من المواد الكيميائية ، من خلال الاعتماد إلى حد كبير على الإلكترونات التي تولدها.
قدمنا بحثاً شاملاً عن الظاهرة الكهروضوئية ، الظاهرة التي منحت أينشتاين جائزة نوبل ، والتي تساعدنا كثيراً في أشياء كثيرة في حياتنا ، ويمكننا الاستفادة منها أكثر في الفترات القادمة.