الظاھرة الكھروضوئية

الظاھرة الكھروضوئية

( أعاد لينارد وصل مھبط الخلية الكھروضوئية بالقطب الموجب والمصعد بالقطب السالب ، فأصبح فرق الجھد عكسي ا

وھذا الفرق في الجھد يبذل شغ لا سالب ا ويسحب طاقة حركية من الإلكترونات ، ويعيق وصول بعض الإلكترونات

المنبعثة إلى المصعد ؛ مما يسبب في تناقص عدد الإلكترونات التي تمتلك قد را كافي ا من الطاقة الحركية يمكنھا من

التغلب على قوة التنافر مع المصعد السالب ؛ لذا التيار الكھروضوئي يتناقص تدريجيًّا مع الاستمرار في زيادة فرق

الجھد العكسي ؛ وھذا يدل على أن الإلكترونات تنبعث ممتلكة طاقات حركیة مختلفة ؛ إذ كلما زادت الطاقة الحركیة

للإلكترونات المنبعثة احتاجت إلى فرق جهد عكسي أكبر لإیقافها ؛ لذا ینعدم التیار الكهروضوئي عندما یكون فرق

الجهد العكسي كافی ا لإیقاف الإلكترونات الضوئیة التي تمتلك أكبر طاقة حركیة ) ط ح عظمى (.

درس العالم لينارد الظاھرة الكھروضوئية تجريبيًّا ) وھو أول دارسيھا ( ، واستخدم دارة

تحتوي على خلية كھروضوئية تتكون من انتفاخ داخلي زجاجي مفرغ من الھواء ؛ لكي لا

تعيق جزيئات الھواء حركة الإلكترونات المنبعثة ، ويوجد داخل الانتفاخ صفيحتان فلزيتان

الأولى تنبعث منھا الالكترونات عند سقوط الضوء عليھا تسمى المهبط ، والثانية تجمع

الإلكترونات المنبعثة تسمى المصعد.

وھذه الدراسة ت مت على ثلاثة مراحل :

1 ( وصل لينارد الخلية الكھروضوئية مع ميكروأميتر بغياب مصدر فرق جھد

كھربائي ، لاحظ لينارد عند سقوط ضوء بتردد مناسب على مھبط الخلية

الكھروضوئية أن الميكروأميتر يكشف عن مرور تيار كھربائي بغياب مصدر فرق

الجھد ، فاستنتج أن مصدر ھذا التيار ھو إلكترونات ضوئية تحررت من المھبط

ووصلت إلى المصعد ، وھذا يدل على أن الإلكترونات الضوئية تمتلك قد را كافي ا

من الطاقة الحركية م كنتھا من الوصول إلى مصعد وھذا التيار الناتج يسمى التيار

الكھروضوئي.

التیار الكهروضوئي : التیار الناتج من حركة الإلكترونات المنبعثة من المهبط

والمتجهة نحو المصعد.

المصعد المھبط

2 ( أضاف لينارد مصدر جھد متغير، حيث كان جھد المصعد موجب وجھد المھبط

سالب فلاحظ زيادة في التيار الكھروضوئي فاستنتج أن الفرق في الجھد بين

المصعد والمھبط يبذل شغ لا موجب ا على الإلكترونات ناق لا إليھا طاقة حركية

ويجذب المزيد منھا نحو المصعد ، يعني ھذا مع زيادة فرق الجھد الموجب يزداد

التيار الكھروضوئي إلى أن يصل إلى قيمة معينة يثبت عندھا ، وبعدھا یثبت التیار

عند قیمة معینة بالرغم من الاستمرار في زیادة فرق الجهد بین المصعد والمهبط؛

وھذا یعني أن الإلكترونات المتحررة من المهبط جمیعها قد وصلت إلى المصعد

وتسمى القيمة العظمى للتيار الكھروضوئي تيار الإشباع.

المصعد المھبط

فيزياء الكم

وھنا سنتعرف على مصطلح جهد القطع : ھو أقل فرق جهد كهربائي عكسي لجعل التیار الكهروضوئي یساوي صف را.

ويرمز له بالرمز ) ج ق ( ويرتبط جھد القطع مع الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات الضوئية بالعلاقة الرياضية :

* العلاقة البیانیة بین فرق الجهد بین المصعد و المهبط والتیار الكهروضوئي في الخلیة الكهروضوئیة :

النقطتین ) أ ، و ( ، التيار الكھروضوئي يتناقص تدريجيًّا مع الاستمرار في زيادة فرق الجھد العكسي ، وھذا لأن الجھد

العكسي يبذل شغ لا سالب ا ويسحب الطاقة الحركية من الإلكترونات ويعيق وصولھا إلى المصعد مما يسبب في تناقص

عدد الإلكترونات التي تمتلك قد ر ا كافي ا من الطاقة الحركية التي يمكنھا من التغلب على قوة التنافر مع المصعد السالب.

النقطة ) و ( ، تمثل جھد القطع وھو أقل جھد عكسي يلزم لجعل التيار الكھروضوئي يساوي صف را.

ھناك عوامل أخرى تتحكم في قيمة التيار الكھروضوئي و جھد القطع و أي ض ا

الطاقة الحركية ، فك ر ر لينارد التجربة :

1 ( زیادة شدة الضوء الساقط على المهبط عن طریق إضافة مصباح آخر

( مع ثبات تردد الضوء الساقط (.

عند زيادة شدة الضوء تم الجصول على منحنى آخر وب ي نت التجارب أن جھد

القطع لم يتغير ، ھذا يعني أن الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات الضوئية لم

ج ق ( .. ev تتغير وفق العلاقة ) ط = 

ج ق ev ط ح = 

النقطة ) د ( ، عندما يزداد فرق الجھد الموجب يزداد التيار الكھروضوئي

إلى أن يصل إلى قيمة معينة يثبت عندھا التيار ، وھي القيمة العظمى للتيار

الكھروضوئي ، والنقطة ) أ ( التيار الكھروضوئي بغياب مصدر الجھد.

النقطتین ) د ، ھ ( ، ثبات التيار الكھروضوئي بالرغم من الاستمرار في

زيادة فرق الجھد بين المصعد والمھبط وھذا يعزى إلى أن جميع

الإلكترونات المتحررة من المھبط قد وصلت إلى المصعد.

النقطة ) ب ( ، يدل على أن المصعد يجذب المزيد من الإلكترونات

الضوئية في حالة فرق الجھد الموجب.

فيزياء الكم

وھذا يعني أن الطاقة الحركیة العظمى للإلكترونات الضوئیة لا تعتمد على شدة الضوء الساقط .

ومن خلال المنحنيان نلاحظ بأن التيار الكھروضوئي الناتج من شدة الضوء الثاني أكبر من التيار الكھروضوئي الناتج

من شدة الضوء الأول ، بما في ذلك تيار الإشباع عند ثبات فرق الجھد عند المصعد والمھبط ؛ ھذا يعني زيادة العدد

الكلي للإلكترونات الضوئية الواصلة إلى المصعد مما يعني أن التیار الكهروضوئي یزداد بزیادة شدة الضوء الساقط

عند ثبات فرق الجهد بین المهبط والمصعد.

2 ( زیادة تردد الضوء الساقط ) مع ثبات شدة الضوء (.

عند زيادة التردد وبقاء شدة الضوء نفسھا وُجِد تجريبيًّا أن جھد القطع

تزداد قيمته المطلقة بزيادة تردد الضوء الساقط ، ھذا يعني أن الطاقة

الحركية العظمى للإلكترونات الضوئية ستزداد حسب العلاقة :

ج ق ( ونستنتج من ذلك أن الطاقة الحركیة العظمى ev ) ط = 

للإلكترونات الضوئیة تزداد بزیادة تردد الضوء الساقط.

ونلاحظ أن تيار الإشباع لم يتغير بتغير التردد ، وھذا يدل على أن العدد

الكلي للإلكترونات الضوئية المنبعثة لا يعتمد على تردد الضوء الساقط.

#ملاحظة مهمة : الإلكترونات تنبعث فور سقوط الضوء على المھبط ، و أن ھذه الإلكترونات لا تنبعث من المھبط إذا

كان تردد الضوء الساقط أقل من قيمة معينة مھما بلغت شدة الضوء.

* إذ ا متى تتحرر الإلكترونات ؟!

يجب أن يكون تردد الضوء الساقط على الفلز أكبر من تردد العَتَبة للفلز أو يساويه.

تردد الع ت بة : أقل تردد للضوء یلزم لتحریر إلكترونات من سطح الفلز.

لكل فلز تردد عتبة خاص به ، أي أنه خاصية للفلز ، وإذا كان تردد الضوء أقل من ترر العتبة لن يحرر إلكترونات.

عند زیادة شدة الضوء :

1 ( يزداد التيار الكھروضوئي ) يزداد عدد الفوتونات الساقطة(.

2 ( الطاقة الحركية العظمى ثابتة لا تتغير.

3 ( جھد القطع لا يتغير ويبقى ثابت.

ملاحظة :

حزم الضوء تسمى

الفوتونات.

عند سقوط الضوء على سطح فلز ، فإن الفوتون الواحد يعطي طاقته كاملة إلى إلكترون واحد فقط ، فيتحرر من ارتباطه

بذرات الفلز بجزء من ھذه الطاقة ، وينطلق بما تبقى على صورة طاقة حركية عظمى ، أي أن :

اقتران الشغل : أقل طاقة یمتلكها فوتون الضوء تلزم لتحریر إلكترون

من سطح الفلز من غیر إكسابه طاقة حركیة.

والفوتون الذي تكون طاقته مساوية إقتران الشغل للفلز يحرر إلكترون ا

من السطح دون أن يكسبه طاقة حركية ، فيكون تردده مستوي ا تردد

العتبة ، أي أن :

عند زیادة تردد الضوء :

1 ( التيار الكھروضوئي يبقى ثابت ا. 2 ( الطاقة الحركية العظمى تزداد.

3 ( يزداد جھد القطع.