تعريف التأثير الكهروضوئي

يتم تعريف التأثير الكهروضوئي بأنه الظاهرة التي يتم فيها تحرير الجسيمات المشحونة كهربائيا أو من داخل المادة عندما تتعرض لامتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي، ويتمثل التأثير الكهروضوئي في طرد الإلكترونات من الألواح المعدنية عندما يتعرض لها الضوء

• عانى العديد من العلماء في توضيح طبيعة الضوء وما إذا كان جسيما كما قال نيوتن، ولكن الجسيمات لا تتمتع بقدرة الانكسار، ولكن أشار هايجنز إلى أن الضوء عبارة عن موجات، ولكن خصائص الضوء لا تتناسب مع انبعاث الجسيمات. وقد عرف آينشتاين الضوء بأنه فوتونات، أي موجات تحمل كتلة ثابتة.
• تم تعريف الطاقة المنبعثة من الأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو أشعة جاما على أنها مادة صلبة أو سائلة أو غازية، حيث تخرج منها جسيمات مشحونة كهربائيا وتسمى هذه الجسيمات بالأيونات.
• لوحظ تأثير الكهروضوئي عند إطلاق الإلكترونات على بعض المعادن المعرضة للإشعاع الضوئي، وهذا ما يسمى (الإصدار الكهربائي الضوئي). يعتبر هذا الاكتشاف جسيميا للضوء وتم تعامله كفوتون، وأظهر أيضا مبدأ الازدواجية بين الموجة والجسيم في المادة، وتم ذلك باستخدام الميكانيكا الموجية أو ميكانيكا الكم.
• أوضح أينشتاين ظاهرة الكهروضوئية من خلال تفسيرها على أساس امتصاص الضوء على شكل جسيمات منفصلة تسمى الفوتونات، وهذه الدراسة التي ساهمت في حصوله على جائزة نوبل عن مجمل أعماله.
• تعتمد الكهربائية الضوئية على مستوى الجسيم الذي يتأثر بالفوتون والإلكترون الحر الموجود في المعدن.
• تم اكتشاف التأثير الكهروضوئي في عام 1887 م من قبل العالم “هاينريش رودولف هيرتز”، حيث لاحظ خلال عمله على موجات الراديو أن الضوء فوق البنفسجي يظهر بين قطبين معدنيين ويوجد جهد مطبق عليهما، وهذا الضوء يتسبب في تغيير الجهد الناتج عن حدوث الشرارة، بالإضافة إلى أنه شرح العلاقة بين الضوء والكهرباء وهذا ما يعرف الآن بالكهروضوئية.
• في عام 1902 م، اكتشف العالم الفيزيائي الألماني فيليب لينارد أن الأجسام المشحونة كهربائيا يمكن أن تنفصل عن سطح المعدن عندما يتعرض السطح للإضاءة، وهو اكتشاف يتوافق مع الأبحاث التي قام بها العالم الفيزيائي البريطاني جوزيف جون طومسون في عام 1897 م.
• قامت العديد من الأبحاث حول التأثير الكهروضوئي بشرح ماهيته، حيث إنه تفاعل بين الضوء والمادة، وبالتالي لا يمكن تفسيره من خلال الفيزياء القديمة التي تعتمد على وصف الضوء كموجة كهرومغناطيسية. وهذا من أهم الملاحظات التي لا يمكن تفسيرها، وهي أن الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات المحررة لم تتغير مع شدة الضوء. وهذا ما ورد في النظرية الموجية.

أعمال أينشتاين في التأثير الكهروضوئي

في عام 1905م، قام ألبرت أينشتاين بنشر أربعة ورقات في مجلة Annalen der Physik، وهذه الورقات كانت السبب في حصوله على جائزة نوبل. وكانت الورقة الأولى تشرح بالتفصيل عملية التأثير الكهروضوئي

• تلك الورقة الوحيدة التي حازت على جائزة نوبل، قام أينشتاين بشرح نظريته استنادا إلى ما قدمه ماكس بلانك في نظريته “الإشعاع الأسود”. اقترح ألبرت أن الطاقة الإشعاعية يمكن توزيعها بشكل مستمر كأمواج ويمكن وضعها في حزم صغيرة تسمى “الفوتونات
• يمكن الربط بين طاقة الفوتون بالتردد (ν)، وذلك من خلال ثابت بلانك  (h) وهو الذي يُعرف باسم ثابت التناسب، وكل ذلك من خلال الطول الموجي (λ)، وسرعة الضوء (c) وذلك من خلال العلاقة الآتية:
  • E = hν = hc / λ أو p = h / λ ” المعادلة الحركية” .
• تحدث الإلكترونات الضوئية نتيجة تفاعلها مع الفوتون الفردي، وذلك بدلا من تفاعلها مع الموجة بشكل عام، حيث يتم نقل الطاقة مباشرة من الفوتون إلى الإلكترون.
• الطاقة تتناسب طرديا مع التردد، إذا كانت الطاقة أو التردد منخفضين لا يمكن رفع (φ) عاليا حتى يتجاوز وظيفة العمل لأي إلكترون.
• ولكن عندما تكون الطاقة أكبر من φ في الفوتون الواحد فإنها تطلق إشعاعا بالإضافة إلى وجود طاقة حركية للإلكترون ويمكن التعبير عن الطاقة بهذا الشكل K max = hν – φ
• لذلك، وفقا لنظرية آينشتاين، يتوقع أن الطاقة الحركية القصوى لا ترتبط بقوة الضوء، حيث يمكن أن يسلط ضعف شدة الضوء على المعدن دون أن يتم تحرير أي إلكترونات أو تحرير كمية زائدة منه. ويتم ربط تحرير الإلكترونات من المعدن بطاقة الضوء فقط إذا كانت أكبر من أو تساوي قيمة الطاقة اللازمة للخروج من المعدن، وهي القيمة المعروفة بدالة الشغل φ. وهذا يساعد على تحرير الإلكترونات. وإذا كانت الطاقة أقل من هذه القيمة، فإنها لا تؤثر على أي إلكترون.
• عندما تكون الطاقة المستخدمة أكبر من دالة الشغل، يجعل ذلك تحرر الإلكترونات من سطح المعدن بالإضافة إلى إكسابها طاقة حركة.
• إذا كانت الطاقة مساوية لدالة الشغل، فإن الإلكترونات تتحرر من السطح دون وجود أي طاقة حركة.

اكتشافات بعض العلماء في التأثير الكهروضوئي

في عام 1922م، قام العالم الفيزيائي “آرثر كومبتون” بقياس التغير الحاد في طول الموجة للأشعة السينية بعد تفاعلها مع الإلكترونات الحرة.

• أوضح كومتون أنه من الممكن حساب التغير الحادث في الأشعة السينية لأنها تتألف من فوتونات، وقد حاز كومتون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927 م بسبب اكتشافه.
• في عام 1931، قام العالم البريطاني في الرياضيات “رالف هوارد فاولر” بتوسيع مفهوم الانبعاث الكهروضوئي من خلال فهم العلاقة بين التيار الكهروضوئي ودرجة حرارة المعادن.
• وكما أوضحت بعض الجهود الأخرى، فإن الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكنه إطلاق بعض الإلكترونات في العوازل التي تنقل الكهرباء، ولكن في ظروف محدودة.

تطبيقات التأثير الكهروضوئي

على الرغم من أن الحديث عن التأثير الكهروضوئي يعتبر نظريا جدا، إلا أنه تم استخدامه في العديد من التطبيقات العلمية.

• في البداية، تم استخدام الخلايا الضوئية في اكتشاف الضوء، من خلال أنبوب مفرغ يحتوي على كاثود لإطلاق الإلكترونات، بالإضافة إلى وجود أنود لتجميع التيار الكهربائي المتولد، وفي الوقت الحالي، أصبحت “الأنابيب الضوئية” هي الثنائيات الضوئية التي تعتمد فكرتها على الشبه الموصلات، وتستخدم في تطبيقات الخلايا الشمسية وألياف الاتصال الضوئية.
• الأنابيب الضوئية المتعددة هي نوع مختلف من الأنابيب الضوئية، حيث تحتوي على العديد من الصفائح المعدنية المسماة “الديودودات”، ويتم إنتاج الإلكترونات عن طريق ضرب الضوء للكاثودات، ثم تسقط الإلكترونات على الدينود الثاني والدينود الثالث والرابع أيضا.
• يعمل كل دينود على تضخيم التيار، حيث يصل عدد الدينودات إلى 10 دينود، وبذلك يصبح التيار قويا جدا لتكاثر الضوء حتى يمكن اكتشاف الفوتونات الفردية.
• يمكن استخدام المثال السابق في التحليل الطيفي، وهو الذي يعمل على تقسيم الضوء إلى طول موجي مختلف، وذلك للتعرف على المركبات الكيميائية وغيرها من التصوير المقطعي المحوري “CAT”، والذي يستخدم في فحص الجسم.
• بالإضافة إلى وجود بعض التطبيقات الأخرى للديوات الضوئية والمضاعفات الضوئية ومن هذه التطبيقات ما يلي:
  • تقديم معلومات نظرية عن كيف يتم انتقال الإلكترونات في الذرات بين حالات الطاقة المتباينة.
  • تكنولوجيا التصوير، مثل أنابيب كاميرات التلفزيون أو مكثفات الصور.
  • تحليل المواد كيميائيًا تبعاً لإلكتروناتها المنبعثة.
  • دراسة العمليات النووية.