الفيزياء — الصف الثالث الثانوي، الطبعة الثانية ٢٠٠٥

(4-3-2) : الظاهرة الكهربية الضوئية (الكهروضوئية) :

تعتبر الشمس المصدر الرئيس الذي يمد الكرة الأرضية بالطاقة ، وهناك منظومات طبيعية كثيرة تحول هذه الطاقة لطاقة مفيدة للإنسان . فالنبات مثلايحول طاقة الشمس لطاقة كيميائية يستفيد منها الإنسان في غذائه . وقد حاول العلماء تصميم منظومات تحول طاقة الشمس لطاقة مفيدة للإنسان فتمكنوا من تصميم أجهزة تحول ضوء الشمس لطاقة كهربائية ، وتسمى هذه الأجهزة بالخلايا الشمسية . وهي تحول ضوء الشمس لكهرباء اعتماداً على ظاهرة تسمى بالظاهرة الكهربية الضوئية أو اختصاراً بالظاهرة الكهروضوئية .

وقد لاحظ هذه الظاهرة العالم الألماني " هيرتز " عام 1887م . حيث وجد أن سقوط أشعة فوق بنفسجية على سطح معدني يؤدي لانبعاث الكترونات من هذا السطح بنفس الطريقة التي يؤدي بها سقوط حجر على بركة ضحلة لتناثر رذاذ الماء في الهواء من هذا السطح . وقد لاحظ نفس الظاهرة عام 1888م عالم اخر يدعى " هولواش " حيث لاحظ أيضا أن لوح الزنك المعزول والمشحون شحنة سالبة يفقد شحنته عند تعرضه لضوء فوق بنفسجي ( شكل (2-16) ) .

الشكل (2-16) : تجربة هولواش .

الشكل (2-16) : تجربة هولواش .

أعلى الوسط مصدر مظلل ضوء فوق بنفسجي، وشعاعان نازلان. إلى اليسار لوح زنك، سهم يصطدم باللوح وسهم خارج موسوم الكترونات ودائرة ⊖. إلى اليمين لوح زنك مشحون بشحنة سالبة (شرطات سالبة على اللوح)، سهم يصطدم به وسهم خارج الكترونات ودائرة ⊖.

وهذا يعني أن الضوء يعطي طاقة للالكترونات لتتحرر من سطح المعدن وتسمى هذه الظاهرة بالظاهرة الكهروضوئية (الكهربية الضوئية).

وفي عام 1905م استطاع العالم الالماني " البرت انشتاين " تفسير الظاهرة الكهروضوئية على ضوء نظرية الكم " لبلانك " التي درسناها سابقاً . حيث اعتبر أن الضوء يتكون من كمات متقطعة من الفوتونات . فإذا سقط ضوء تردده (ذ) على سطح معدن فإن طاقة الفوتون الواحد ستساوي (هـ × ذ) حيث هـ = ثابت بلانك حسب المعادلة (2-15) . وعند اصطدام الفوتون بسطح المعدن يقوم الكترون واحد بامتصاص طاقة الفوتون ويستنفذ جزءاً منها في التحرر من الارتباط بسطح المعدن . ويسمى الحد الأدنى من الطاقة اللازم لتحرير الالكترون من سطح المعدن بطاقة الربط (أو دالة الشغل) ونرمز لها بالرمز Φ\Phi (ينطق فاي = Φ\Phi) . أما الجزء الباقي من الطاقة الممتصة فيذهب لإكساب الالكترون طاقة حركة مقدارها (ط_ح) وتسمى هذه الالكترونات التي تتحرر من المعدن بسقوط الضوء عليه بالالكترونات الضوئية (انظر شكل (2-17) ) .

الشكل (2-17) : تفسير الظاهرة الكهروضوئية .

الشكل (2-17) : تفسير الظاهرة الكهروضوئية .

(أ) إلى اليمين: لوح معدن وفيه دوائر ⊖ موسومة الكترونات حرة. فوتونات متعرجة تسقط على السطح: فوتونات طاقتها أقل من طاقة الربط. التعليق: (أ) تظل الالكترونات في المعدن لأن طاقة الفوتون الساقط عليها أقل من طاقة إرتباط الإلكترون بالمعدن.

(ب) إلى اليسار: لوح معدن وفيه الكترونات حرة. فوتونات متعرجة: فوتونات طاقتها أكبر من طاقة الربط، تصطدم بالسطح وتخرج أسهم الكترونات ضوئية بدوائر ⊖، موسومة طاقة حركتها (ط_ح). التعليق: (ب) تنطلق الالكترونات الضوئية الناتجة عن اصطدام الفوتونات (الضوء) بسطح المعدن .

ويمكن كتابة العلاقة بين طاقة الفوتون وطاقة الالكترون في صورة رياضية. حيث نجد أن :

الطاقة التي فقدها الفوتون = الطاقة التي اكتسبها الالكترون (أولاً للتحرر من سطح المعدن وثانياً لإكتساب طاقة حركة) . أي أن هـ × ذ = الطاقة اللازمة لتحرر الإلكترون من المعدن (طاقة الربط) + طاقة الحركة التى إكتسبها الالكترون. أى أن:

(17-2)
هـ×ذ=Φ+طح\boxed{\text{هـ} \times \text{ذ} = \Phi + \text{ط}_\text{ح}}

وبما أن طاقة الحركة عامة تساوي 12\dfrac{1}{2} ك ع2^{2} حيث في حالة الإلكترون ، (ك) هى كتلة الالكترون بينما تمثل (ع) سرعة الالكترون المحرر.

(18-2)
∴هـ×ذ=Φ+12كع2\boxed{\therefore \text{هـ} \times \text{ذ} = \Phi + \dfrac{1}{2} \text{ك} \text{ع}^{2}}

مثال (2-8) :

إذا كانت طاقة الربط (دالة الشغل) فى البوتاسيوم تساوي 3.2×10−193.2 \times 10^{-19} جول. فاحسب طاقة حركة الالكترون عندما يضاء اللوح بأشعة طولها الموجي 354×10−9354 \times 10^{-9} متر إذا اعتبرت أن ثابت بلانك هـ = 6.6×10−346.6 \times 10^{-34} جول ثانية.

الحل :

سرعة الضوء في الفراغ (ع) = 3×1083 \times 10^{8} متر\ث

λ=354×10−9\lambda = 354 \times 10^{-9} متر ، هـ = 6.6×10−346.6 \times 10^{-34} جول ثانية

Φ=3.2×10−19\Phi = 3.2 \times 10^{-19} جول .

طاقة الفوتون = طاقة حركة الالكترون + طاقة الربط فى البوتاسيوم

هـ × ذ = ط_ح + Φ\Phi

ط_ح + Φ\Phi = هـ×عλ\dfrac{\text{هـ} \times \text{ع}}{\lambda}

ط_ح = Φ−هـ×عλ\Phi - \dfrac{\text{هـ} \times \text{ع}}{\lambda} = 3.2×10−19−6.6×10−34×3×108354×10−93.2 \times 10^{-19} - \dfrac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}}{354 \times 10^{-9}}

ملاحظة تصحيح (ليست من الكتاب): الصيغة الصحيحة ط_ح = (هـ×ع)/λ − Φ لا العكس. الناتج 2.39×10⁻¹⁹ صحيح بعد عكس الترتيب في السطر التالي.

=5.59×10−19−3.2×10−19=2.39×10−19= 5.59 \times 10^{-19} - 3.2 \times 10^{-19} = 2.39 \times 10^{-19} جول

أي أن طاقة حركة الالكترون ≈24×10−20\approx 24 \times 10^{-20} جول