ما هو التأثير الكهرضوئي

التأثير الكهرضوئي هو ظاهرةٌ يتم فيها تحرير جزيئات مشحونة كهربائيًّا في جسمٍ ما عندما يتعرض هذا الجسم إلى إشعاعٍ كهرومغناطيسيٍّ. فلنتعرف أكثر على هذه الظاهرة.

مفهوم التأثير الكهرضوئي

حسب مجلة Scientific American، فإن الضوء الذي يملك طاقةً تفوق حدًّا معينًا يكون قادرًا على تحرير الإلكترونات في سطحٍ معدنيٍّ صلبٍ. يُطلق اسم فوتون (Photon) على كل جزيء ضوئي، وتكون هذه الجزيئات قادرة على الاصطدام بالإلكترونات واستخدام بعضٍ من طاقتها لإزاحة هذه الإلكترونات، أما الطاقة المتبقية في الفوتون فإنها تتحول إلى شحنةٍ سالبةٍ حرة، وهذا ما يُطلق عليه Photoelectron أي الانبعاث الإلكتروني.[1]بذلك، فإنه غالبًا ما يتم تعريف التأثير الكهرضوئي بأنه انبعاثٌ إلكترونيٌّ من لوحٍ معدنيٍّ عند سقوط الضوء عليه، وجاءت أهمية هذه الظاهرة لدورها الأساسي في تطوير الفيزياء الحديثة؛ حيث ساعدت في إيجاد إجابةٍ حول طبيعة الضوء وذلك على يد ألبرت آينشتاين عام 1905، كما برزت أهميتها أيضًا في الأبحاث المتعلقة بعلم المواد والفيزياء الفلكية، وتشكيلها لمبدأ العمل الأساسي في العديد من الأجهزة.

كيف يعمل التأثير الكهروضوئي

يمكن ملاحظة التأثير الكهرضوئي إذا تجاوز الإشعاع الكهرومغناطيسي حدًّا معينًا يعرف بعتبة التردد(f0، وإلا فلن يحدث انبعاث إلكترونيّ، وذلك لأن كل فوتون يحتاج إلى توفر حدٍّ أدنى معين من الطاقة ليتمكن من تحرير الإلكترونات من المعدن، ويختلف الحد الأدنى للطاقة المطلوبة باختلاف المعدن ويدعى هذا الحد بدالة العمل (W، وتعتمد طاقة الفوتون على تردد الإشعاع حسب المعادلة:Ep = hf

Ep: طاقة الإلكترون، وواحدتها جول (Joules).

h: ثابت بلانك، ويساوي 6.63×10^-34، وواحدته جول في الثانية (J.s).

f: هي تردد الإشعاع وواحدته هرتز (Hz).

يجب أن تكون طاقة الفوتون على الأقل مساويةً للعمل اللازم لتحرير الإلكترونات؛ أيhf0 = w؛ حيث يحدث الانبعاث الإلكتروني فقط إذا كانت hfأكبر أو تساويw

معادلة التأثير الكهرضوئي

عند تطبيق إشعاع ذي ترددٍ عالٍ كفاية (fعلى سطحٍ معدنيٍّ يملك الحد الأدنى للطاقة المطلوبة (w، يتم امتصاص الفوتون الذي يحمل طاقةً حركيةً (Epمن قبل الإلكترون الذي يغادر بطاقةٍ حركيةٍ، ونحصل عليها من المعادلة التالية:Kmax = Ep _ wوالتي يمكن كتابتها أيضًا بالشكل التالي:[2]1/2mv2 = hf – W

اكتشاف التأثير الكهرضوئي

اكتشف العالم الألماني هاينريش هرتز (Heinrich Rudolf Hertz) التأثير الكهرضوئي عام 1887، حيث لاحظ أنه عند سقوط أشعةٍ فوق بنفسجية على أقطابٍ معدنيةٍ يسرى عبرها جهد كهربائي، يقوم الضوء بتغيير الجهد وإحداث الشرر، وقد وضح عالمٌ ألمانيٌّ آخر يدعى فيليب لينارد عام 1902 هذه العلاقة بين الضوء والكهرباء على أن الجزيئات المشحونة كهربائيًّا تتحرر من سطح المعدن عند تعرضها للضوء، وأن هذه الجزيئات مشابهة للإلكترونات التي اكتشفها الفيزيائي البريطاني جوزيف جون تومسون (Joseph John Thomson) عام 1897.

دور أينشتاين

 أظهرت أبحاثٌ لاحقةٌ أن هذا التأثير يمثل تفاعلًا بين الضوء والمادة لا يمكن تفسيره باستخدام الفيزياء الكلاسيكية التي تُعرّف الضوء على أنه أمواجٌ كهرومغناطيسيةٌ، وكانت إحدى الملاحظات التي لم يمكن تفسيرها آنذاك هي أن الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المتحررة لم تتغير بتغير كثافة الضوء المطبق على سطح المادة كما هو متوقعٌ تبعًا لنظرية الأمواج الضوئية، بل كانت متناسبةً مع تردد الضوء؛ فقد حددت كثافة الضوء عدد الإلكترونات المتحررة من سطح المادة، وكانت الملاحظة الأخرى المحيرة هي عدم وجود فارقٍ زمنيٍّ فعلي بين وصول الإشعاع وحدوث الانبعاث الإلكتروني.دفعت هذه الأسئلة بأينشتاين عام 1905 إلى إيجاد نظريةٍ جسيميةٍ جديدة للضوء، حيث يتكون كل فوتون – أي كل جزيء ضوئي – من كميةٍ ثابتةٍ من الطاقة – يطلق عليها quanta – تعتمد على تردد الضوء، وتمكن أينشتاين باستخدام هذه الفرضية من شرح كل الملاحظات والمشاهدات المتعلقة بالتأثير الكهرضوئي التي لم تتمكن الفيزياء الكلاسيكية من حلها، لكن لم تلقَ فرضية الفوتونات هذه القبول العالمي إلا بعد أن أُجريت عليها عدة اختباراتٍ للتحقق منها، وتلقى عليها أينشتاين أخيرًا جائزة نوبل عام 1921.[3]

أهم تطبيقات التأثير الكهرضوئي

توجد عدةُ تطبيقاتٍ عملية تستفيد من ظاهرة التأثير الكهروضوئي منها:

الخلية الضوئية (Photocell): تكون عادةً على شكل أنبوبٍ مفرَّغ ذي قطبين، أحدهما يدعى المهبط (Cathode) تنبعث منه الإلكترونات عند تعرضها للضوء، والآخر يدعى المصعد (Anode) الذي يحافظ على جهدٍ موجبٍ، ويمكن الاستفادة من التيار الكهربائي الذي يمر من المهبط إلى المصعد – والذي ينتج عن تعرض المهبط للضوء وتحرر الإلكترونات منه وتوجهها نحو المصعد – في تشغيل مرحّل كهربائي (Relay) يستطيع مثلًا تشغيل محرك لفتح باب أو قرع جرس إنذارٍ، ويمكن أن تكون هذه الأنظمة حساسةً لتلقي الضوء أو لإبعاد الضوء عنها، كأن يتم اقتطاع حزمة ضوئية موجهة نحو المهبط.

الخلايا الشمسية (Solar Cells): هي ألواحٌ مصنوعةٌ من مادة السيليكون تعمل كبطاريةٍ عند تعرضها للضوء، وتنتج الخلايا الشمسية الفردية جهدًا كهربائيًّا يقدر بحوالي 0.6 فولط، لكن يمكن الحصول على جهدٍ أكبر وتياراتٍ أكبر بربط عدة خلايا شمسية مع بعضها بشكلٍ مناسبٍ. تُعتبر هذه الطريقة للحصول على الكهرباء مكلفةً لكنها مفيدةٌ جدًا في المناطق البعيدة التي لا تصلها مصادر طاقة أخرى.[4]