التأثير الكهروضوئي، من معلومات الحياة

الـسّـلام عليكم و رحمة الله تعالى و بركـاته،،

أولاً، يشرّفني أن أشارك معكم هذه الفعاليّـة و لو جاءت مشاركتي في وقتٍ متأخّـر،،
و ثانيـاً، لستُ معتادةٌ على الكتابةِ باللّـغةِ العربيّـة الفصيحة، فأرجوا أن أكون قد نجحتُ في إيصال المعلومة إليكم كما لو كتبتُ بالعاميّـة



موضوعي اليوم عن ظاهرة، اخترتُ أن أقدّمها لكم، لأنّها في البداية حيّرت الفيزيائيّين، و تفسيرهـا فتحَ أبواباً جديدة في علمِ الفيزياء و أدّى إلى إيجـادِ نظريّـاتٍ و قوانينَ جديدة، مشوّقة و لَـمْ يتوقّعها أيُّ من الفيزيائيّين القُدامى،،
و هذه الظاهرة -كمـا قرأتم من العنوان- هي ظاهرة التـأثير الكهروضوئي،،

سوف أحـاولُ أن أقدّمها بأبسط و أمتَع صورة ممكنة، و أرجوا أن تحبّوهـا كما أنا أحبُّهـا
ملاحظة -لطلبة الثانويّة العـامّـة (القسم العلمي)-: ستستفيدونَ من قراءة هذا الموضوع، لأنّـه ممّـا ستدرسونه في الفصل الأخير بإذن الله !

و قبلَ أن نبدأ، هناكَ معلومة بسيطة يجب أن تكونوا محيطينَ بها لكي تفهموا هذه الظاهرة، و هذه المعلومة عن "طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي"،،
و بكلّ بساطة، الإشعاع الكهرومغناطيسي عبارة عن موجات، منها مرئي و منها غير مرئي و تختلف في طاقتها و تردّداتها (أي في عدد الموجات الحاصلة في الثانية الواحدة) و في أطوالها الموجيّـة (أي في المسافة بين قمّتين أو قاعين موجتين متتاليتين)، و كلّـما قلّ الطول الموجي للإشعاع زادت طاقته و زاد تردّده (أي زاد عدد الموجات الحاصلة في الثانية الواحدة)،،
فالضوء المرئي بجميع ألوانه عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي، و الأشعة السينيّـة (أو أشعة أكس) و الأشعة تحت الحمراء و الفوق بنفسجيّـة عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي، و غيرهم من أنواع الإشعاعات الكهرومغناطيسيّـة المبيّـنة في الصورة أدناه:




فكمـا تلاحظون، الطول الموجي الأقلّ (أقلّ مسافة بين قمّتين أو قاعين متتاليين) هو لأشعّة جاما (Gamma Ray)، فبالتالي هي لها أكبر تردّد و أكبر طاقة (لهذا هي خطِرة)،،
و يزداد الطول الموجي و بالتالي يقلّ التردّد (Frequency) و تقلّ الطاقة كلّـما اتّجهنا نحو يسار الطيف الكهرومغناطيسي إلى أن نصِـل إلى الأشعة الراديويّـة (ٌRadio) ذات أكبر طول موجي و أقلّ طاقة و أقلّ تردّد،،





و الآن نبدأُ بشرح ظاهرة التأثير الكهروضوئيّـة الجميلة، بسمِ الله




هيَ و بكلّ بساطة: انبعاث الكترونات من سطح الفلزّ عند تسليط إشعاع كهرومغناطيسي عليه!

فإذا أسقطنا إشعاع كهرومغناطيسي -أشعة فوق بنفسجيّـة مثلاً- على سطح فلزّ -مثل الكالسيوم أو النحاس -، فإنّ الالكترونات الموجودة في هذه المادّة الفلزيّـة ستتحرّر و تنبعث من سطح الفلزّ إلى خارجه!
و الصّورة هذهِ توضّح كيفيّـة حصول ظاهرة التأثير الكهروضوئي:





العالم هاينرتش هيرتز كان أوّل من أجرى تجربة التأثير الكهروضوئي و لاحظ ما يحدث فيها، و من الطّبيعي أن يتوقّف العالم عندَ تجربته و يحاولُ أن يفسّـرَ ما يحدثُ فيهـا

و هذا ينقلنا للنقطة الثانية:



كـان التفسير الأنسَـب للتأثير الكهروضوئي حينها هو أنّـه بما أنّ الموجات الكهرومغناطيسيّـة تمتلك طاقة، فبالتـالي طاقة الإشعاع الكهرومغناطيسي السّـاقط على سطح الفلزّ تنتقل إلى الالكترونات الموجودة في الفلزّ، و عند اكتساب الالكترونات للطاقة تتحرّك و تنبعث من خارج سطح الفلزّ،،

و كـان هذا هو تفسير الظاهرة المبدأي، حسب الفيزياء "الكلاسيكيّـة" التي كانت تعتبر الضوء عبارة عن سيل متّصل من الطاقة و ممكن أن تمتلك هذه الموجات أي مقدار ممكن من الطاقة،،

لكن الفيزيائيّـين "الكلاسيكيّين" الذين كانوا يعتبرون الضوء سيل متّصل من الطاقة لم يستطيعوا تفسير بقيّـة التفاصيل اللي كانت تحصل في هذه الظاهرة، و كانت النظريّـة الكلاسيكيّـة للضوء المتصّـل عاجزة عن تقديم تفسير مطلق لها، فاكتفى الكلاسيكيّون بوضع توقّعات لكي يقوموا باختبار صحّتها تجريبيّـاً،،





حسب الفيزياء الكلاسيكيّة، توقّع العلماء أن تحرّر الالكترونات من سطح الفلزّ في التأثير الكهروضوئي يعتمد على شدّة الإشعاع الساقط، و أنّـه إذا كان الإشعاع الساقط ذو شدّة منخفضة تنبعث الالكترونات بعد فترة من الزمن لامتصاصها لطاقة الشعاع بالتدريج، و لكن النتائج التجربيّة أظهرت أن تحرّرها لا يعتمد على شدّة الضوء بل على تردّده، حيث أنهم رأوا أنّ الالكترونات لا تنبعث من سطح الفلزّ إلا إذا كان تردّد الضوء أكبر من أو يساوي قيمة معيّنة، فّإذا كان تردّد الضوء في مدى هذه القيم ستنبعث الالكترونات لحظيّـاً (في نفس اللحظة) مهما كانت شدّته.
كما أنّ العلماء توقعوا أنّ طاقة الحركة التي تمتلكها الالكترونات المتحرّرة تعتمد على شدّة الضوء، و لكن النتائج التجريبيّة أظهرت أنّ طاقة حركة الالكترونات تعتمد على تردّد الضوء (تزداد بزيادة تردّد الضوء) و لا تتأثر طاقتهم الحركية بتغيير شدّة الضوء، فقط يزداد عدد الالكترونات المنبعثة بزيادة شدّته.



فهنا، التجربة خالفت التوقّعات، و لم يستطِع العلماء إيجاد تفاسير للنتائج التجريبيّـة وفقاً للنظريّة الكلاسيكيّة للضوء،،
فكان العلماء بحاجة إلى "فيزياء جديدة" تستطيع تفسير هذه الظاهرة،،

و بالطّبع، جاء ألبرت آينستاين و قام بإيجـاد أبسط التفاسير و أكثرهـا "أنـاقةً" لهذه الظاهرة الجميلة !

و كان تفسيرة كالتالي:

الضوء ليس عبارة عن سيل متّصل من الطاقة، بل هو عبارة عن جسيمات تسمّي بـ "كمّـات" (quanta) أو "فوتونات" (photons)، و هذه الجسيمات عديمة الكتلة، و تمتلك أقلّ مقدار ممكن من الطاقة الضوئيّة التي ممكن أن توجد منفردة!

و بالتالي، كل فوتون يمتلك طاقة معيّنة، و هذا الطاقة مكافئة لتردّد الضوء،،
و كلّ ما زادت شدّة الضوء يزداد عدد الفوتونات التي يحويها،،

فّإذا كان تردّد الفوتون أكبر من أو يساوي قيمة تردّد معيّنة، ستكون له طاقة أكبر من أو تساوي الطاقة الحركيّة التي يحتاجها الالكترون لكي يتحرّر من سطح الفلزّ، فيمتصّ الالكترون الواحد فوتوناً واحداً، يمتصّ طاقته و ينطلق من سطح الفلزّ، و إن كان تردّد الفوتون أقلّ من قيمة معيّنة، لن يمتلك طاقة كافية لكي يتحرّر الالكترون من سطح الفلزّ، فبالتالي إذا امتصّه الالكترون لن يتحرّر من سطح الفلزّ لأن طاقته الحركيّة لن تكون كافية ليحدث ذلك،،

و هذا الذي يفسّر اعتماد انبعاث الالكترونات من سطح الفلزّ على تردّد الضوء، حيث أن تردّد الضوء هو تردّد فوتونات الضوء، و امتلاك الفوتونات تردّد معيّن تعني امتلاكها لطاقة معيّنة، فإذا كانت طاقتها أكبر من أو تساوي الطاقة التي يحتاجها الالكترون لينبعث من سطح الفلزّ فإنه يمتص الفوتون و يتحرّر، و إذا كانت التردّد الذي يمتلكها الفوتون يكافئ طاقة أقل من الطاقة اللازمة لتحرّر الالكترون فإنّـه لا يتحرّر،،

و أقلّ تردّد يتسبّب في تحرير الالكترونات من سطح الفلزّ يسمّى بـ "تردّد العتبة"، و قيمته تختلف من فلزّ لآخر حيث أنّ الالكترونات من فلزّ إلى آخر تختلف في الطاقة التي تحتاجها لتتحرّر،،

و كلّما زادت قيمة تردّد الضوء الساقط على الفلزّ عن قيمة تردّد العتبة للفلز، تزداد طاقة حركة الالكترونات المتحرّرة، حيث أنه تزداد طاقة الفوتون بزيادة تردّده، و بالتالي تزداد طاقة الحركة للالكترون الذي امتصّ الفوتون،،


و ما يفسّر زيادة عدد الالكترونات المنبعثة من سطح الفلزّ بزيادة شدّة الضوء هو أنّـه بزيادة شدّة الضوء يزداد عدد الفوتونات الموجودة فيه، و بزيادة عدد الفوتونات الموجودة، يزداد عدد الالكترونات التي تمتصّ الفوتونات -ذات التردد الأكبر من أو يساوي تردّد العتبة طبعاً- و بالتالي يزداد عدد الالكترونات المنبعثة من سطح الفلزّ!




و هكذا، فكرة آينستاين في "تكمئة" الضوء -أي في كونه يتكوّن من جسيمات منفصلة- كانت ثوريّـة و جديدة، و أدّت إلى وجود فرع جديد في الفيزياء يسمّى بـ "فيزياء الكم" (quantum physics) و الذي يحتوي على نظريّـات غريبة و شيّقة و زادت من فهمنا لما حولنـا

و أيضاً ليس من الغريب أن نذكر أنّ آينستاين حاز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921م لتقديمه لهذا التفسير البسيط و الجميل




و إن وجدتم صعوبة في فهمِ الظاهرة الكهروضوئيّـة، لااا تقلقوا! في الردّ التالي ستجرّبونها بنفسكم!

(يتبع.. الرّجـاء عدم الردّ)

الآن سنستخدم معـاً برنـامج يمكّـنـنا من تجريب الظاهرة الكهروضوئيّـة الكترونيّـاً
البرنامج جميل جداً و فعلاً يرينـا كيف تحصل الظاهرة الكهروضوئيّـة و يساعد في فهم التفاسير لآينساين و ببساطة،،

لتحميل البرنـامج (على هيئة ملفّ مضغوط) -> من هنـا

أحمّلتموه؟ ممتـاز! <- عايشة الدّور هههه :P




البرنـامج عند فتحِـه سيكون بهذه الهيئة:



البطّـاريّـة موجودة لإعمال فرق في الجهد (فرق في الشحنة الكهربائيّـة) بين الفلزّ و الصفيحة المستقبلة للالكترونات، و ذلك لتوجيه الالكترونات المنبعثة من سطح الفلزّ إلى الصفيحة المُستقبلة،،

و بجانب مصدر الضوء، يمكنكم تحريك المؤشّر لتغيير الطول الموجي للضوء الساقط على الفلزّ (و بالتالي تغيير تردّد الضوء و طاقته)،،
كما يمكنكم التحكّم في شدّة الضوء الساقط على سطح الفلز يتحريك المؤشّر الذي يقع فوق مؤشّر الطول الموجي، و مكتوب في أعلاه (Intensity)،،

و في أقصى اليمين، في المكان المكتوب في أعلاه (Target)، يمكنكم تغيير نوع الفلزّ الذي يسقط عليه الضوء،،



ما سنفعله هو أنّـنـا سنتحقّق من فكرة أنّ انبعاث الالكترونات من سطح الفلزّ يعتمد على تردّد الضوء و ليس شدّته، و أنّ عدد الالكترونات المنبعثة يزداد بزيادة شدّة الضوء و يقلّ بقلّة شدّته، و أنّ طاقة حركتها يعتمد على تردّد الضوء و ليس شدّته، و أن تردّد العتبة يختلف من فلزّ لآخر،

فالآن:
* حرّكوا مؤشّر شدّة الضوء (Intensity) و اجعلوا شدّة الضوء = 100%،،
- ستلاحظون انبعاث الكترونات من سطح الفلزّ - و بما أنّ الالكترونات انبعثت من سطح الفلزّ فإنّ تردّد الضوء الساقط أكبر من أو يساوي تردّد عتبة الفلز،،

*حرّكوا مؤشّر شدّة الضوء لجعل شدّة الضوء = 5%،،
- ستلاحظون قلّة عدد الالكترونات المنبعثة لقلّة شدّة الضوء و أنّ الالكترونات انبعثت فووراً دون أن تستغرق فترة زمنيّة كما توقّعت النظرية الكلاسيكيّة في حالة الضوء المنخفض الشدّة، كما أن الالكترونات تتحرّك بنففس السرعة التي تحرّكت عندما كانت شدة الضوء = 100%، و هذا يؤكّد أنّ طاقة حركة الالكترونات لا يعتمد على شدّة الضوء-.

*أرجعوا شدّة الضوء إلى 100%، و غيّروا تردّد الضوء في المؤشّر الذي يقع في أسفله و أجعلوا لون الضوء أخضراً،،
-ستلاحظون أنّ الالكترونات تنبعث عند الضوء الأخضر و لكن بسرعة أقلّ، لأن تردّد الضوء الأخضر أقلّ من الضوء البنفسجي، و بالتالي طاقة فوتونات الضوء الأخضر أقل من طاقة الضوء البنفسجي، و بالتالي طاقة حركة الالكترونات التي تمتصّ الضوء الأخضر ستكون أقل، و لهذا تكون سرعتها أقلّ!-

*غيّروا تردّد الضوء الآن و أجعلوا اللون برتقالي،،
-ستلاحظون عدم انبعاث الكترونات، و ذلك يجعلنا نتستنتج أنّ تردّد الضوء البرتقالي أقلّ من تردّد عتبة الفلزّ (و هو الصوديوم في هذه الحالة)، حيث أن طاقته أقل من الطاقة اللازمة لتحرّر الكترونات الصوديوم، فلا تنبعث الكترونات من سطحه-.

*غيّروا تردّد الضوء مجدّداً بسحب المؤشّر إلى أقققصى اليسار (عند يسار المنطقة المكتوب عليها UV -أي الأشعة فوق البنفسجيّـة ذات التردّد العالي)،،
-ستلاحظون أنّ الالكترونات تنبعث بسرعة أكككبر من سرعة انبعاثها في حالة الضوء البنفسجي، و ذلك لأن تردد الأشعة فوق البنفسجيّة عاالي جداً و بالتالي طاقة فوتوناتها عالية و الالكترونات التي تمتصها ستكون طاقتها الحركية (و بالتالي سرعتها) كبيرة جداً)-.

*الآن غيّروا نوع الفلزّ في أقصى يمين الشاشة (أسفل كلمة target)، و اختاروا فلزّ النحـاس (Copper) و اجعلوا الضوء لونه أخضر،،
-ستلاحظون عدم انبعاث الكترونات من سطح فلزّ النحـاس، على الرّغم من انبعاث الكترونات من سطح فلزّ الصوديوم عند إسقاط الضوء الأخضر عليه! و ذلك يجعلنا نستنتج أنّ تردّد عتبة النحـاس له تردّد أعلى من تردّد الضوء الأخضر، و تردّد أعلى من تردّد عتبة الصوديوم، و لهذا ترون أنّ كل فلزّ له تردّد عتبة يختلف عن الآخر-.




و هكذا أتمنّى أن تكون الفكرة قد وضحت لكم و أنّـكم فهمتم تفسير اللغر الذي حيّر الفيزيائيّون الكلاسيكيّون و الذي أدّى تفسيره من قبل آينستاين إلى ولادة فرع جديد و مهمّ من أفرع علم الفيزياء





و إن قلتم: "و ما الفائدة من هذه الظاهرة و ما تطبيقاتها؟"،،
أقول لكم إنّ تطبيقاتها عديدة، و و أهمّها هي "الخلايا الشمسيّـة" التي تُصنع من أشباه فلزّات مطعّمة و مواد أخرى تعمل كالفلزّات، و عند تعريضها لأشعّة الشمس تنبعث منها الكترونات و هذه الالكترونات تستخدم بطريقة معيّنة لتوليد تيّـار كهربائي، و بالتالي تشغيل الأجهزة المختلفة

امل ,,

اشكرك من قلب على شرحك الجميل والممتع وواضح جدآ , استفدت منك كثير كنت محتاجه
تلخيص زي كذا سهل وحلو ولقيته ف موضوعك ,
ماشالله عليك ’ طيب بسألك عن الاناره ف الشوارع اللي تشتغل اتوماتيكيا
عندما يحل الظلام ايضا تفسيرها بهذه الظاهره , اذا عندك معلومات اكثر عن الشي ذا ياليت تفيديني ياعسوله
واكون شاكره لكك :$
وعلى اي حال مشكووووووووره والله يجزاك خيررر , سجلت بس عشان اشكرك ماقصرتي
تقبلي مروري المتواضع :$

شكرا للجهد و الشرح السهل الجميل

احلى امووول
تسلم ايدك حبي





يا متجدده دائما بمواضيعك الحلوة





لروحك بسمة

روووووووووووووعه
تسلمي حبي ع هاي مجهوددالراقية
بنتظارجديدك بفاارغ صبر
دمتي برعاية الله

يسلمو على هذا النثر
الجميل راقلي جدأأ
يعطيك الف عافيه
بنتظأر المزيد من ابداعاتك
بشوق ودي قبل ردي