التأثير الكهروضوئي
| English | العربية |
|---|---|
| photoelectric effect/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɪk ɪˈfekt/ | التأثير الكهروضوئي |
الضوء الأزرق يطرد الإلكترونات — والضوء الأحمر لا يفعل ذلك أبداً، مهما كانت شديداً
- أضئ ضوءاً على معدن وقد تهرب الإلكترونات. لكن هناك شرط.
- ضوء أزرق يطرد الإلكترونات فوراً؛ بينما ضوء أحمر لا يفعل شيئاً — حتى لو كان أحمر ساطعاً جداً.
- أي نظرية موجية لا تستطيع تفسير ذلك. فقط الفوتونات هي القادرة على ذلك.
- هذا هو التأثير الكهروضوئي، وهو دليل أينشتاين على أن الضوء يتكون من جسيمات.
فوتون واحد، إلكترون واحد
- الضوء ينقل الطاقة عبر فوتونات، كل منها يحمل $E = hf$.
- لكي تهرب الإلكترونات من المعدن، تحتاج إلى فوتون واحد يحتوي على طاقة كافية في اصطدام واحد.
- الفوتون الذي تقل تردده عن التردد العتبي لا يملك طاقة كافية ببساطة — ولا تخرج أي إلكترونات.
- فوق التردد العتبي، يطرد كل فوتون إلكتروناً واحداً.
التأثير الكهروضوئي هو دليل على أن الضوء يتصرف كـ:
يمكن تفسير تردد العتبة فقط إذا كان الضوء يأتي في فوتونات.
لماذا السطوع لا يساعد تحت العتبة
- إذا كان التردد منخفضاً جداً، فلن يحرر حزمة ضوئية شديدة السطوع أي إلكترونات.
- زيادة عدد الفوتونات ذات الطاقة غير الكافية لا تحرر إلكتروناً واحداً — فالسطوع يعطي الكمية وليس الجودة.
- فوق العتبة، الحزمة الأضخم تحرك عدد أكبر من الإلكترونات (بسبب فوتونات أكثر)، لكنها لا تجعلها أسرع.
- فقط رفع التردد يمنح كل إلكترون طاقة حركية أكبر.
أسفل تردد العتبة، زيادة سطوع الضوء:
أسفل العتبة، كل فوتون ضعيف جدًا — السطوع لا يمكنه تحرير أي إلكترونات.
فوق العتبة، شعاع ساطع يطرد:
الفوتونات الأكثر تطرد إلكترونات أكثر؛ تعتمد السرعة على التردد وليس السطوع.
موازنة الطاقة
- جزء من طاقة الفوتون يُستهلك لتحرير الإلكترون (دالة الشغل)؛ والباقي يتحول إلى طاقته الحركية.
- بالرموز: $hf = \phi + \text{KE}_{\text{max}}$.
- لذا، فوق العتبة، كلما زاد التردد → زادت سرعة الإلكترونات المحررة.
- هذا الحساب الدقيق هو ما منح أينشتاين جائزة نوبل.
تأثير الكهروضوئي
يرتفع الحد الأقصى للطاقة الحركية للإلكترونات المقذوفة خطيًا مع تردد الضوء، فوق عتبة معينة.
فوق العتبة، يُطرد الضوء عالي التردد إلكترونات بطاقة حركية أكبر.
$hf = \phi + \text{KE}_{\text{max}}$: طاقة فوتون أكثر تترك طاقة حركية أكثر.
أقل طاقة مطلوبة لتحرير الإلكترون من المعدن هي دالة ____.
دالة الشغل $\phi$ هي الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون؛ والباقي يتحول إلى طاقة حركية.
حدد كل العبارات الصحيحة حول التأثير الكهروضوئي.
التردد العتبة، سلوك الجسيم، وسرعة محددة بالتردد كلها صحيحة. الأحمر الساطع (أسفل العتبة) لا يطرد شيئاً.
تحت التردد العتبي، لا تُحرر أي إلكترونات — بغض النظر عن مدى سطوع الضوء. السطوع (زيادة عدد الفوتونات) لا يمكن أن يحل محل التردد (الطاقة لكل فوتون). تتوقع نظرية الموجات أن الضوء الساطع يعمل دائماً؛ وحق عدم فعله يثبت أن الضوء عبارة عن جسيمات.
ضوء الأشعة فوق البنفسجية الخافت يحرر إلكترونات من معدن، لكن ضوء أحمر شديد السطوع لا يفعل. لماذا؟
- فوتونات الأشعة فوق البنفسجية تقع فوق التردد العتبي (طاقة كافية لكل منها)، لذا تحرر الإلكترونات.
- فوتونات الضوء الأحمر تقع تحتها — كل منها ضعيف، وإضافة المزيد (سطوع أكبر) لا يفيد.
التأثير الكهروضوئي: الضوء يحرر الإلكترونات فقط فوق تردد عتبي، لأن الطاقة تصل في شكل فوتونات ($E = hf$) يجب أن تحرر إلكتروناً واحداً في كل مرة. تحت العتبة، السطوع لا يساعد؛ وفوقها، التردد الأعلى يمنح إلكترونات أسرع ($hf = \phi + \text{KE}_{\text{max}}$). هذا يثبت أن الضوء جسيمات.