التأثير الكهروضوئي: التاريخ والصيغ والتمارين

ا صنعت منكهرضوئي هي ظاهرة فيزيائية تتكون من انبعاث الإلكترونات من مواد معينة ، عادة ما تكون معدنية ، عندما تضيء بواسطة موجات كهرومغناطيسية ترددات محددة. في هذه الظاهرة ، فإن ضوء يتصرف مثل أ الجسيم، وتحويل الطاقة إلى الإلكترونات مقذوف من المواد.

ملخص عن التأثير الكهروضوئي

• اكتشف ظاهرة فيزيائية من قبل هاينريش هيرتز عام 1886 ؛

• شرحه ألبرت أينشتاين ، في عام 1905 ، من خلال تكميم الضوء الذي اقترحه بلانك في عام 1900 ؛

• لا يتم إخراج الإلكترونات إلا إذا كانت طاقة الفوتونات الساقطة أكبر من أو تساوي وظيفة عمل المادة ؛

• تعتمد الطاقة الحركية للإلكترونات المقذوفة فقط على تواتر الضوء الساقط ؛

• تؤثر شدة الضوء فقط على عدد الإلكترونات التي يتم إخراجها في كل ثانية.

تاريخ التأثير الكهروضوئي

حوالي عام 1886 ، عالم الفيزياء الألماني هاينريشهيرتز (1857-1894) عدة تجارب لإثبات وجود موجات كهرومغناطيسية. للقيام بذلك ، أنتج Hertz تفريغًا بين قطبين ، وفي بعض الأحيان ، أدرك أنه عند الإضاءة ، كان الكاثود قادرًا على إنتاج المزيد من التفريغ الكهربائي المكثف. دون أن يعرف ذلك ، اكتشف هيرتز التأثير الكهروضوئي ، من خلال انبعاث أشعةالكاثود.

بعد عامين من ملاحظات هيرتز ، جي جي طومسون أثبت أن الجسيمات المنبعثة من الصفائح المضيئة هي إلكترونات. لذلك، طومسون أثبت أن نسبة الشحنة إلى الكتلة (e / m) لجسيمات الكاثود كانت مساوية لتلك الخاصة بـ الإلكترونات- جسيمات اكتشفها بنفسه قبل بضع سنوات.

نظرةأيضا: اكتشاف الإلكترون

في عام 1903 ، مساعد هيرتز ، فيليبلينارد ، طور سلسلة من التجارب من أجل إنشاء صلة بين ال شدة الضوء و ال طاقة الإلكترون صدر ، خلص لينارد إلى أنه لا يوجد تبعية بين الأمرين ، وهو ما كان متوقعًا ، وفقًا لمعرفة الفيزياء في ذلك الوقت. بعد سنة واحدة، شويلدر كان قادرًا على إثبات أن الطاقة الحركية للإلكترونات التي تترك الألواح المعدنية تتناسب طرديًا مع تردد الضوء الذي ينيرها.

النتائج التي تم الحصول عليها تتناقض تجريبيا مع النظرية الكلاسيكية الكهرومغناطيسية وأصبح تحديًا كبيرًا للفيزيائيين في ذلك الوقت لمدة 18 عامًا تقريبًا. في عام 1905, اينشتاين استفاد من اقتراح قدمه بلانك، وشرح بشكل مرض عملية من التأثير الكهروضوئي. الاقتراح الذي استخدمه أينشتاين يسمى تكميم المجال الكهرومغناطيسي. في عام 1900 ، حاول بلانك بكل طريقة شرح قضية الجسم الأسود، ولم يكن قادرًا على فعل ذلك إلا من خلال الإشارة إلى أن الضوء تم تكميمه ، أي أنه يحتوي على قيم طاقة مضاعفة لكمية أصغر. على الرغم من أن بلانك أدرك أن إنجازه لم يكن سوى أداة رياضية قادرة على تفسير الظاهرة يعتقد الفيزيائي أينشتاين أن الضوء يتكون حقًا من عدد كبير من الجسيمات الموهوبة طاقة. في المستقبل ، سيتم استدعاء هذه الجسيمات الفوتونات.

بعد نشر مقالته عن التأثير الكهروضوئي ، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1921.

تعرف أكثر على:ما هي الفوتونات؟

الصيغ

وفقًا لنظرية الجسيمات للضوء ، التي اقترحها بلانك واستخدمها أينشتاين لشرح التأثير الكهروضوئي ، يتكون الضوء من عدد كبير من الفوتونات - جسيمات عديمة الكتلة تحمل كمية صغيرة. قوة. هذه الطاقة تتناسب طرديًا مع تردد الضوء وأيضًا مع ثابت بلانك (ع = 6.662.10^-34 Js) ، كما هو موضح في المعادلة التالية:

و - طاقة الفوتون

ح - ثابت بلانك

F - تردد الضوء

إذا كانت طاقة الفوتون كبيرة بما يكفي ، يمكن أن تمزق الإلكترونات من المادة. يمكن حساب الطاقة الحركية للإلكترون المقذوف باستخدام المعادلة التالية:

ك - الطاقة الحركية للإلكترونات

و - طاقة الفوتون

Φ - مهمة الوظيفية

وفقًا للتعبير أعلاه ، تعتمد الطاقة الحركية التي تكتسبها الإلكترونات (K) على طاقة الفوتونات الساقطة (E) وأيضًا على Φ (احتلالالشغل). تقيس هذه الكمية كمية الطاقة الكامنة التي ترتبط بها الإلكترونات بالمادة ، وهي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لسحبها للخارج. لذلك ، يتم نقل كل الطاقة الزائدة إلى الإلكترونات في شكل طاقةحركية. من المهم هنا أن ندرك أن الطاقة الحركية التي تكتسبها الإلكترونات تعتمد عليها حصريا يعطي تردد ضوء الحادث وليس شدة الضوء المنبعث.

إن تواتر الضوء ، وليس شدته ، هو الذي يحدد ما إذا كانت الإلكترونات ستخرج أم لا.

جدول وظيفة العمل

تفحص ال يقيس من وظيفة العمل لبعض المواد المعروفة. تشير هذه الوظيفة إلى ملف الكمية الدنيا من الطاقة اللازمة لانتزاع الإلكترونات من سطح المادة:

مادة	وظيفة الوظيفة (فولت)
الألومنيوم	4,08
نحاس	4,7
حديد	4,5
البلاتين	6,35
فضة	4,73
الزنك	4,3

تجربة التأثير الكهروضوئي

لاحظ الشكل أدناه ، فهو يقدم مخططًا مبسطًا للترتيب التجريبي ، يستخدمه فيليب لينارد ، لدراسة التأثير الكهروضوئي:

مخطط تجريبي يستخدم لدراسة التأثير الكهروضوئي.

تكونت التجربة من لوحين معدنيين متوازيين متصلين بالبطارية. في الدائرة كان هناك أمبير ، تستخدم لقياس التيار الكهربائي بين الصفيحتين ، و الفولتميتر، تستخدم لقياس الجهد الكهربائي الذي تحدده البطارية.

عندما أضاءت هذه البطارية بترددات معينة من الضوء ، انبعثت بعض الإلكترونات من إحدى اللوحات ، والتي اكتسبت شحنات موجبة (كاثود). عندما تسارعت بواسطة فرق الجهد الذي توفره البطارية ، وصلت الإلكترونات إلى اللوحة الأخرى. تم قياس هذا التيار الكهربائي بواسطة مقياس التيار الكهربائي.

لاحظ لينارد أنه مع زيادة شدة الضوء ، يتم طرد المزيد من الإلكترونات كل ثانية. ومع ذلك ، مع الحفاظ على تردد الضوء المنبعث من مصدر الضوء ثابتًا ، لم تتغير الطاقة التي يتم إخراج الإلكترونات بها. ننظر إلى الرسم البياني أدناه:

يتوافق تيار التشبع مع عدد الإلكترونات المقذوفة بواسطة اللوحة المضيئة كل ثانية.

الشكل أعلاه يتعلق ب التيار الكهربائي التي تنتجها الإلكترونات ، ويتم إخراجها بواسطة لوحة واحدة والتقاطها بواسطة اللوحة الأخرى ، باستخدام الجهد الكهربائي بينهما. من خلال تطبيق هذا الجهد ، وصلت الإلكترونات التي تركت اللوحة للتو ، حتى مع وجود طاقة حركية صفرية ، إلى اللوحة الأخرى. عندما تصل جميع الإلكترونات المقذوفة إلى اللوحة الأخرى ، التيار الكهربائي مشبع أي أنه يبدأ في البقاء ثابت. ما يمكن رؤيته هو أن تيار التشبع يعتمد على شدة الضوء: كلما زادت شدة الضوء ، زاد التيار الكهربائي المتكون بين الألواح.

ومع ذلك ، عند تطبيق جهد كهربائي معاكس ، من أجل تأخير حركة الإلكترونات التي تنتقل من لوحة إلى أخرى ، لوحظ أن هناك الحد الأدنى من الجهد الكهربائي (الخامس₀)، اتصل قطع الإمكانات، حيث لا يمكن لأي إلكترون الوصول إلى اللوحة الأخرى. يشير هذا إلى أن الطاقة الحركية التي تترك بها الإلكترونات الألواح لا تعتمد على شدة الضوء. يمكن حساب الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات باستخدام المعادلة التالية:

ك - الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات

و - الحمل الأساسي (1.6.10^-19 ج)

الخامس₀ - إمكانية القطع

الكترون فولت

نظرًا لأن وحدات الطاقة الحركية للإلكترونات بها وحدات منخفضة جدًا بحيث لا يمكن قياسها بالجول ، يتم إجراء قياسات الطاقة هذه بشكل روتيني في وحدة أخرى أصغر بكثير ، إلكترون فولت (فولت). الإلكترون فولت هو مقدار الطاقة الكامنة الكهربائية التي يمر بها جسيم مشحون بأقل قيمة شحنة حالية ، وهي شحنة أساسية، عند وضعها في منطقة ذات جهد كهربائي تساوي 1 فولت. لذلك ، 1 فولت يعادل 1.6.10^-19 ج.

بالإضافة إلى Electron-Volt ، من الشائع استخدام البادئات مثل: keV (كيلو إلكترون فولت ، 10³ eV) ، أنا (ميغا إلكترون فولت ، 10⁶ eV) ، تيف (تيرا إلكترون فولت ، 10⁹ eV) إلخ.

التطبيقات التكنولوجية للتأثير الكهروضوئي

ظهرت العديد من التطبيقات التكنولوجية بناءً على تفسير التأثير الكهروضوئي. أشهرها ربما الخلايا الكهروضوئية. هذه الخلايا هي الوحدات الأساسية في الألواح الشمسيةمن خلالها ممكن لتحويل ال الطاقة الضوئية في التيار الكهربائي. تحقق من قائمة الاختراعات الرئيسية بناءً على التأثير الكهروضوئي:

• الخلايا الضوئية؛

• يمرر؛

• مجسات الحركة

• مقاومات ضوئية.

تمارين حلها

1) المادة ، عندما تضيء بفوتونات 4 فولت ، تكون قادرة على إخراج إلكترونات بطاقة 6 إلكترون فولت. حدد معامل دالة الشغل لمثل هذه المادة.

القرار:

سنستخدم معادلة دالة الشغل لحساب هذه الكمية ، لاحظ:

إذا كانت الطاقة الحركية للإلكترونات المقذوفة (K) تساوي 6 eV وطاقة الفوتونات الساقطة (E) تساوي 4 eV ، فسنحصل على:

وفقًا للحساب الذي تم إجراؤه ، فإن دالة الشغل لهذه المادة ، أي أقل طاقة لإخراج الإلكترونات ، هي 2 فولت.

2) عندما نضيء صفيحة معدنية وظيفتها 7 إلكترون فولت ، نلاحظ طرد الإلكترونات بطاقات 4 إلكترون فولت. تحديد:

أ) طاقة الفوتونات الساقطة ؛

ب) وتيرة فوتونات الحادث.

القرار:

أ) لنحدد طاقة فوتونات الضوء الساقط من خلال وظيفة العمل:

ب) لحساب تردد الفوتونات ، يمكننا استخدام المعادلة التالية:

بأخذ البيانات التي يوفرها التمرين ، سيكون لدينا الحساب التالي:

بقلم رافائيل هيلربروك

مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/o-efeito-fotoeletrico.htm