البحث عن الظاهرة الكهروضوئية، اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية ترك أثراً كبيراً على العالم كله، وقد أحدث هذا الاكتشاف ثورة في عالم الفيزياء، وخاصة فيزياء الكم، ولذلك نقدم لكم بحثاً عن الظاهرة الكهروضوئية لتتعلموا أكثر عنها.
جدول المحتويات
مقدمة في الظاهرة الكهروضوئية
- الظاهرة الكهروضوئية، أو ما يعرف بالتأثير الكهروضوئي، هي ظاهرة تحدث عندما تطلق الأجسام الصلبة والسائلة والغازية مجموعة من الإلكترونات عندما تبدأ في امتصاص الطاقة المشتقة من الضوء.
- تُعرف هذه الظاهرة أيضًا باسم إطلاق الإلكترونات من 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، يتم امتصاص الإشعاع ويتم طرد العديد من الإلكترونات من هذا السطح.
- هذا التردد المعين هو في الغالب تردد مرئي لبعض المعادن القلوية ويقترب من الأشعة فوق البنفسجية من المعادن الأخرى ويعتبر القيمة القصوى للأشعة فوق البنفسجية بالنسبة لللافلزات.
- نظرا لهذه الأهمية الكبيرة لظاهرة الكهروضوئية التي سنتناولها من خلال البحث، كان من الضروري أن تعرفوا تاريخ اكتشاف هذه الظاهرة الفيزيائية المهمة في القسم التالي.
قصة اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية
- يعود اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية إلى عام 1877 م واكتشفها العالمان هيرتز وهاف آتش عندما لاحظ مدى سهولة تكوين بعض الشرارات الكهربائية عندما يتكون السطح من مادة تنقل الأشعة فوق البنفسجية.
- لكن هذا الاكتشاف لم يعلن عنه رسميًا حتى عام 1900 م من قبل العالم ليونارد، واستمر حتى عام 1905 م عندما أعلن العالم العظيم أينشتاين تفاصيله عن الظاهرة الكهروضوئية.
- قدم أينشتاين ورقة بحثية علمية تقدم شرحًا متكاملاً لنتائج الظاهرة الكهروضوئية العملية، موضحًا 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 جلبها العلم والعالم كله في دراسة واكتشاف الظاهرة الكهروضوئية.
ضوء الأشعة فوق البنفسجية
- يمكن للضوء، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية، تفريغ جميع الأجسام السالبة الشحنة وإنتاج إشعاع مشابه لطبيعته، يُعرف 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 طرف مصنوع من الزنك وطرف مصنوع من الكادميوم.
- الأشعة فوق البنفسجية غنية جدًا بالأشعة فوق البنفسجية، على عكس أشعة الشمس، التي لا تحتوي على قدر من الأشعة فوق البنفسجية مثل هذا الضوء.
- حتى كمية الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في أشعة الشمس يمتصها الغلاف الجوي تمامًا قبل وصولها إلى الأرض، وليس لها نفس تأثير مصباح القوس.
الخلية الضوئية
- تتكون الخلية الكهربائية من مغلف شفاف ومفرغ داخليًا، بالإضافة إلى كاثود غير مدفأ ذي مساحة كبيرة من مادة حساسة للضوء، ومصعد محمول لإمكانية كهربائية موجبة بالنسبة للكاثود.
- يمر الضوء عبر الغلاف الشفاف ويصل إلى القطب السالب مما يتسبب في إطلاق العديد من الإلكترونات منه والتي تنجذب بفرق الجهد المطبق على القطب الموجب وتساعد في إنشاء تيار كهربائي أنود.
- تعتمد قوة تيار الأنود على قوة الضوء الساقط عليه من خلال الغلاف الشفاف، ولون هذه الحزمة وفرق الجهد المطبق بين الأنود والكاثود.
- ولكن من الممكن في كثير من الحالات أن تكون الخلية الكهروضوئية ضعيفة لأنها لا تنتج الكثير من الإلكترونات، لذلك اخترع العلماء ما يسمى بالمضاعف الضوئي.
مضاعف ضوئي
- في كثير من الحالات، لا تكون الخلايا الكهروضوئية حساسة للغاية للكشف عن السلاسل الضوئية الضعيفة، وذلك بسبب ضعف التيار الناتج عن عدد قليل من الإلكترونات المستخرجة.
- ولكن يمكن مضاعفة عدد هذه الإلكترونات عن طريق الانبعاث الثانوي، لذلك نقوم بتغطية سطح الأنود بمزيج من الفضة والمغنيسيوم، مما يتسبب في إصدار الإلكترون التالي للعديد من الإلكترونات الثانوية بطاقة حركية ضخمة.
- تتسارع الإلكترونات في المجالات الكهربائية في مسارات ثانوية متتالية، يصدر كل منها العديد من الإلكترونات للإلكترون الوارد.
- جهاز المضاعف الضوئي حساس للغاية ويتكون من كاثود عالي الحساسية ومسارات ثانوية متعددة تدعم الانبعاث الثانوي والأنود.
- إذا كان المضاعف الضوئي يحتوي على عشرة مسارات ثانوية، فسيتم مضاعفة الإشارة بشكل كبير حتى تصل إلى 910. يمكن استخدام هذا المضاعف الضوئي لقياس المضاعفات الضوئية الضعيفة ودراسة الإشعاع النووي.
- يستخدم الضوء أيضًا لنقل جميع البيانات ومعالجتها من خلال استخدام الأجهزة الإلكترونية الضوئية بما في ذلك الثنائيات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها الكثير.
كيف تنشأ الظاهرة الكهروضوئية؟
- لقد أثبت العلم أن الظاهرة الكهروضوئية تحدث عندما تنبعث بعض الأشعة الكهرومغناطيسية على سطح معدني، مما يؤدي إلى إطلاق العديد من الإلكترونات الموجودة فوق هذا السطح.
- يقوم بذلك عن طريق امتصاص جزء من الإشعاع الكهرومغناطيسي للإلكترون المرتبط بذلك المعدن، واكتساب الطاقة الحركية التي تؤدي إلى إطلاقه، ويتطلب حدوث هذه الظاهرة العديد من المتغيرات.
- هذه المتغيرات هي تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي، وقوة الإشعاع الكهرومغناطيسي، 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 تبلغ حوالي ميغا إلكترون فولت في العناصر ذات العدد الذري العالي.
- تعتبر هذه الظاهرة من الظواهر المهمة للغاية حيث تساعد في البحث واكتشاف العلوم الطبيعية الكمومية للضوء وكذلك الإلكترونات وتساعد على فهمها بدقة ودقة.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية
- تحدث هذه الظاهرة عندما تكون قيمة تردد الموجات المتساقطة على السطح أكبر من تردد العتبة، ويكون تردد الحد هو التردد المنخفض للضوء الكافي لإرسال الإلكترونات من سطح المعدن دون نقل الطاقة الحركية إليه.
- تحدث هذه الظاهرة بعد التأثير المباشر للموجات الكهرومغناطيسية للتردد المناسب على أي سطح بغض النظر عن شدة هذه الموجات الكهرومغناطيسية.
- Dieses Phänomen hängt von der Anzahl der Elektronen ab, die von der Oberfläche in Richtung der Kraft des einfallenden Lichts emittiert werden, und dies bedeutet, dass die Intensität dieses Stroms, der durch den Stromkreis der Photovoltaikzelle fließt, direkt nach der Intensität von zunimmt Einfallendes Licht يزداد.
- هناك علاقة مباشرة بين الطاقة الحركية للإلكترونات وتواتر سقوط هذا الضوء على سطح المعدن. عندما تزداد القيمة القصوى لحركة الإلكترونات المنبعثة، يزداد تواتر سقوط الضوء على سطح المعدن.
آلية انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية
- تمتلك الفوتونات طاقة معينة تتناسب مع تردد الضوء، فعند إصدار الضوء، إذا امتص الإلكترون طاقة الفوتون وكانت طاقته أكبر من اقتران العمل بالمادة، نحصل على الإلكترون.
- ولكن عندما تكون طاقة الفوتون منخفضة، لا يمكن تحرير الإلكترون من المادة، وعندما تزداد قوة الضوء، يزداد عدد الفوتونات المتولدة، مما يؤدي إلى زيادة كمية الإلكترونات المتولدة.
- لكن هذا لا يؤدي إلى زيادة الطاقة التي يمتصها الإلكترون، وخلص إلى أن هذه الطاقة الموجودة في الإلكترون الناتج لا تعتمد على قوة الضوء الساقط على سطح المعدن.
- لكن الطاقة في الإلكترون تعتمد فقط على الطاقة الضوئية، وبالتالي يمكننا ربط طاقة الفوتون الساقط على السطح وطاقة الإلكترون الناتج.
- يمكن لهذه الإلكترونات أيضًا أن تمتص كل طاقة الفوتونات عند تعرضها لأي حزمة ضوئية، وغالبًا ما تتبع مبدأ الكل أو لا شيء.
- يتم امتصاص كل طاقة الفوتون واستخدامها لتحرير إلكترون واحد فقط من الرابطة الذرية، وإلا يتم تحرير كل طاقة الفوتون.
- إذا تم امتصاص كل طاقة الفوتون، فإن بعض هذه الطاقة ستحرر الإلكترون من الذرة، وستساعد بقية الطاقة على زيادة الطاقة الحركية لذلك الإلكترون الحر.
الملاحظات التجريبية للانبعاثات الكهروضوئية
- عندما بحث العلماء واكتشفوا الظاهرة الكهروضوئية، كان من الضروري شرح الملاحظات التجريبية لانبعاث الإلكترونات الناشئة من سطح مادة مكشوفة.
- بالنسبة لمعدن معين، يوجد حد أدنى للتردد لسطح هذا المعدن، إذا قمنا بتعريض سطح هذا المعدن لتردد أقل، فلن ينتج إلكترونات ضوئية، والاسم العلمي لذلك التردد هو تردد الحد.
- ومع ذلك، إذا قمت بزيادة تردد الشعاع الساقط على السطح المعدني وحافظت على ثبات عدد الفوتونات المتساقطة عليه، فإن هذا يزيد من طاقة الفوتون، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية الناتجة عنه.
- يؤدي هذا إلى زيادة في جهد التوقف، ويتغير عدد الإلكترونات بسبب احتمالية أن يصدر كل فوتون إلكترونًا بالتزامن مع طاقة الفوتون عند تردد العتبة.
- الفترة الزمنية بين الشعاع الساقط على سطح المعدن وخروج الإلكترون الناتج عن هذا السقوط هي فترة زمنية قصيرة بشكل ملحوظ، تقترب من حوالي عشر ثوانٍ.
- يصل اتجاه توزيع هذه الإلكترونات، الناتج عن اصطدام حزمة الضوء على سطح المعدن، إلى اتجاه الاستقطاب أو ما يسمى اتجاه المجال الكهربائي للضوء الساقط عندما يكون مستقطبًا خطيًا.
كيفية استغلال الظاهرة الكهروضوئية
- لقد حققت الظاهرة الكهروضوئية قفزة كبيرة في الفيزياء وساعدت العديد من العلماء على اكتشاف العديد من الاختراعات والبحث عنها بناءً على الظاهرة الكهروضوئية.
- اعتمد استخدام الخلايا الكهروضوئية في الأصل على تطبيقات الألياف الضوئية، والتي عملت فقط على التقاط الضوء من خلال المصعد والكاثود.
- في وقت لاحق، تم تسخير الظاهرة الكهروضوئية في الخلايا الشمسية، ومعظمها مصنوعة من السيليكون الخاص بها، وتستخدم كبطاريات لتخزين الطاقة عند تعرضها للشمس لاستخدامها لاحقًا.
- كما تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية مؤخرًا في تقنية التصوير حيث تعمل في أنابيب الكاميرات ومكثفات الصورة ويمكن أيضًا استخدامها في بعض العمليات النووية.
- من الممكن أيضًا استخدام الظاهرة الكهروضوئية بشكل فعال في تحليل العديد من المواد الكيميائية، بالاعتماد إلى حد كبير على الإلكترونات التي تولدها.
استكمال بحث ظاهرة الكهروضوئية
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.