E.2 · الفيزياء الكمومية

يتناول هذا المستند موضوعات مختارة من المرحلة HL للمادة التي تم تقييمها لأول مرة في 2025؛ وهو لا يمثل المنهج الدراسي بأكمله.

المؤهلات السابقة: قراءة الكميات والوحدات المحددة، واستخدام العمليات الحسابية وشروط النموذج أدناه.

الأمثلة أصيلة ومخترعة: فهي ليست قياسات حقيقية أو تحقيقات طلابية فعلية.

ما الذي قد يفسر هذه الملاحظة؟

• قد تفشل الضوء الساطع منخفض التردد في إخراج الإلكترونات بينما ينجح الضوء الخافت عالي التردد. يعتمد طاقة الفوتون على التردد، وليس الشدة وحدها.

بنِ النموذج

• فوتون طاقته متناسبة مع التردد.
• الشغل الإزاحي هو الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإطلاق إلكترون من سطح ما.
• فوق العتبة، يمكن أن يتحول الفائض من طاقة الفوتون إلى طاقة حركية للإلكترون.
• فوتون: كَمّ من الإشعاع الكهرومغناطيسي.
• دالة الشغل: الحد الأدنى لطاقة السطح اللازمة لإطلاق إلكترون.

*Ek(max) = hf − φ: لا انبعاث تحت 2.0 إلكترون فولت، وهو دالة الشغل

اختر الأدلة القادرة على اختبار النموذج

• استخدم: طاقة الفوتون = ثابت بلانك × التردد.
• الطاقة الحركية القصوى = طاقة الفوتون - دالة الشغل.
• زيادة الكثافة عند تردد ثابت يزيد من معدل وصول الفوتونات، وليس طاقة كل فوتون على حدة.

في المختبر: اقرأ المحاور بعناية في رسم بياني للجهد الإيقاف أو الطاقة الحركية. حدد تردد العتبة من نقطة التقاطع عند الصفر للطاقة. حدد المعدن وظروف التجربة لأن دالة الشغل تعتمد على المادة.

اعمل من الكميات المعروفة

• معلوم: طاقة الفوتون هي 5.0 إلكترون فولت ودالة الشغل هي 2.0 إلكترون فولت.
• الطاقة الحركية القصوى = طاقة الفوتون - دالة الشغل = 5.0 - 2.0 = 3.0 إلكترون فولت.
• لا يمكن لفوتون طاقته 1.5 إلكترون فولت إحداث انبعاث من ذلك السطح في هذا النموذج.

دورك الآن: طاقة الفوتون هي 4.8 eV ودالة الشغل 2.1 eV. أوجد الطاقة الحركية القصوى.

تحقق من الاستنتاج وحدوده

• الإلكترونات لا تتراكم بها العديد من الفوتونات دون العتبة في نموذج الفوتون المفرد الأساسي.
• لا تخلط بين عدد الفوتونات وطاقة الفوتون.

غير صحيح: مضاعفة كثافة الضوء تضاعف طاقة كل فوتون عند تردد ثابت. الكثافة هي عدد الفوتونات التي تصل في الثانية الواحدة؛ وتحدد طاقة الفوتون بالتردد وحده (E = hf). مضاعفة الكثافة تضاعف عدد الإلكترونات، وليس طاقة كل إلكترون - وهو ما يوضحه بالضبط معادلة التأثير الكهروضوئي.

المفتاح:

• فوتون طاقته متناسبة مع التردد.
• استخدم: طاقة الفوتون = ثابت بلانك × التردد.
• انتبه: الإلكترونات لا تتراكم بها العديد من الفوتونات دون العتبة في نموذج الفوتون المفرد الأساسي.

اكتب بناءً على الطاقة الحركية القصوى البالغة 3.6 إلكترون فولت

• للفوتون طاقة قدرها 6.0 إلكترون فولت، والدور Work Function هو 2.4 إلكترون فولت.
• أوجد أقصى طاقة حركية. مضاعفة الشدة لا تضاعف طاقة كل فوتون على حدة.

اكتب من قراءة العتبة

• دالة الشغل 2.0 إلكترون فولت؛ فوتونات ساقطة طاقتها 3.0 إلكترون فولت.
• أقصى طاقة للإلكترون = 3.0 − 2.0 = 1.0 إلكترون فولت = 1.6 × 10⁻¹⁹ جول — تحت العتبة لا تساعد الكثافة؛ فوقها تحدد الكثافة التيار بينما تحدد التردد الطاقة.

اكتب من جهد الإيقاف

• الإلكترونات الأسرع تتوقف تماماً عند 1.5 فولت.
• طاقتها الحركية القصوى هي 1.5 إلكترون فولت — جهد الإيقاف يقيس طاقة الإلكترون مباشرة، فولت واحد لكل إلكترون فولت.