بحث عن الظاهرة الكهروضوئية
بحث عن الظاهرة الكهروضوئية، لقد ترك اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية أثر كبير وعظيم على العالم كله، وقد أحدث هذا الاكتشاف ثورة في عالم الفيزياء وخاصًة فيزياء الكم، ولذلك نقدم لكم بحث عن الظاهرة الكهروضوئية لنتعرف عليها بشكل أكبر.
محتويات المقال
مقدمة بحث عن الظاهرة الكهروضوئية
- إن الظاهرة الكهروضوئية أو ما تعرف بالمفعول الكهروضوئي تعتبر ظاهرة تحدث نتيجة لإطلاق الأجسام الصلبة والسائلة والغازية مجموعة من الإلكترونات، وذلك عندما تبدأ في امتصاص الطاقة المستمدة من الضوء.
- كما تعرف هذه الظاهرة بإطلاق السطوح الفلزية لمجموعة من الإلكترونات عندما تتعرض للموجات الكهرومغناطيسية أو الأشعة الضوئية، ومن هذه الظواهر الانبعاث الحراري، والثانوي، والكهربي، والكهروضوئي.
- عندما نقوم بتعريض إحدى أسطح المعادن إلى إشعاع كهرومغناطيسي يكون فوق تردد محدد، سوف يتم امتصاص الإشعاع ويخرج العديد من الإلكترونات من هذا السطح.
- هذا التردد المعين في أغلب الوقت يكون تردد مرئي لبعض الفلزات القلوية، ويكون قريب من الأشعة فوق البنفسجية منه لباقي الفلزات، ويعتبر هو القيمة القصوى للأشعة الفوق بنفسجية اللافلزات.
- ولهذه الأهمية الكبيرة لظاهرة الكهرباء الضوئية التي سوف نتعرض لها بالبحث بشكل كبير، كان من الضروري أنت نتعرف في الفقرة القادمة عن تاريخ اكتشاف هذه الظاهرة الفيزيائية الهامة.
تاريخ اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية
- يعود اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية إلى عام 1877 م، وقام باكتشافها العالم هيرتز وهالف اخس، عندما لاحظ سهولة تولد بعض الشرر الكهربائي عند تعرض سطح مصنوع من مادة توصل للأشعة فوق البنفسجية.
- ولكن لم يتم الإعلان عن هذا الاكتشاف بشكل رسمي إلا في عام 1900 م، على يد العالم لينارد، واستمر الأمر هكذا حتى عام 1905 م، حين أعلن العالم الكبير أينشتاين تفصيله للظاهرة الكهروضوئية.
- وقد قام أينشتاين بتقديم ورقة أبحاث علمية تحتوي على تفسير متكامل لنتائج الظاهرة الكهروضوئية العملية، وأوضح أن طاقة الضوء تتكدس على شكل كميات من الطاقة تعرف باسم الفوتونات.
- وفي عام 1921م حصل أينشتين على جائزة نوبل في علم فيزياء الكم، وذلك نتيجًة للبحث العلمي الطويل والإفادة التي قدمها العلم وللعالم كله بقيامة بالبحث والاكتشاف في الظاهرة الكهروضوئية.
الضوء فوق البنفسجي
- يعتبر الضوء وخاصًة الضوء فوق البنفسجي يستطيع أن يفرغ كل الأجسام المشحونة بالشحنات السالبة، ويقوم بتوليد إشعاعات تشبه طبيعته وتعرف بأشعة الكاثود.
- يمكن الحصول على الضوء فوق البنفسجي الذي يتسبب في هذا التأثير من مصباح قوسي، أو عن طريق حرق عنصر المغنسيوم، أو عن طريق عمل ملف بين طرف من الزنك وطرف من الكادميوم.
- ويعتبر الضوء فوق البنفسجي غني بشكل كبير على الأشعة فوق البنفسجية، على عكس أشعة الشمس التي لا تحتوي على أشعة فوق بنفسجية بشكل كبير مثل هذا الضوء.
- وحتى كمية الأشعة فوق البنفسجية التي توجد في أشعة الشمس يقوم الغلاف الجوي بامتصاصها بشكل كامل قبل الوصول إلى الأرض، وفي العموم فهي لا تعطي نفس التأثير الناتج عن المصباح القوسي.
الخلية الكهربائية الضوئية
- إن الخلية الكهربائية مكونة من غلاف شفاف داخله مخلي من الهواء، وكذلك مهبط غير ساخن له سطح كبير متكون من مادة حساسة للضوء، وأيضًا مصعد محمول إلى كمون كهربي يعتبر موجب عند مقارنته بالمهبط.
- يعبر الضوء عبر الغلاف الشفاف فيصل إلي المهبط ويتسبب في إصدار العديد من الإلكترونات منه، والتي تنجذب بسبب فرق الكمون المطبق إلى المصعد وتساعد في توليد تيار كهربي مصعدي.
- ترتبط قوة التيار المصعدي بقوة الضوء الساقط عليه عبر الغلاف الشفاف، كما يرتبط كذلك بلون هذا الشعاع، وأيضًا فرق الكمون المطبق ما بين المصعد والمهبط.
- ولكن من الممكن في الكثير من الأحيان أن تكون الخلية الكهربائية الضوئية ضعيفة، حيث لا تقوم بإنتاج إلكترونات بشكل كبير ولذلك قام العلماء باختراع ما يسمى بـ المضاعف الضوئي.
المضاعف الضوئي
- في الكثير من الأحيان لا تعتبر الخلايا الكهربائية الضوئية حساسة بشكل كبير لتكشف المشدات الضوئية الضعيفة، ويعتبر هذا ناتج عن ضعف التيار الذي ينتج عن عدد قليل من الإلكترونات المنتزعة.
- لكن يمكن مضاعفة عدد هذه الإلكترونات عن طريق إصدار ثانوي، بحيث نقوم بطلي سطح المصعد بمزيج من الفضة والمغنسيوم، مما يسبب قيام الإلكترون القادم بطاقة حركية ضخمة أن يصدر إلكترونات ثانوية عديدة.
- تقوم الإلكترونات بالإسراع في شكل حقول كهربائية في اتجاه مسارات ثانوية متتالية، تقوم كل منها بإصدار إلكترونات كثيرة من أجل إلكترون واحد وارد.
- يعتبر جهاز المضاعف الضوئي حساس عالي الحساسية، ويتكون من مهبط للضوء بدرجة حساسية عالية، ومسارات ثانوية عديدة تساعد على الإصدار الثانوي، ومصعد.
- وإذا تضمن المضاعف الضوئي عشرة مسارات ثانوية فإن الإشارة تتضاعف بشكل كبير حتى تصل إلى 910، يمكن استخدام هذه المضاعفات الضوئية لقياس المشدات الضوئية الضعيفة ولدراسة الإشعاعات النووية.
- كما يستخدم الضوء في نقل كل المعطيات والقيام بمعالجتها عن طريق استخدام تجهيزات الإلكترونيات الضوئية، منها الديودات الضوئية، والألياف الضوئية، وغيرهم الكثير.
كيفية حدوث الظاهرة الكهروضوئية
- لقد أثبت العلم أن الظاهرة الكهروضوئية تحدث عندما تنبعث بعض من الأشعة الكهرومغناطيسية على سطح معدني، مما ينتج عنه تحرير للعديد من الإلكترونات التي توجد فوق هذا السطح.
- وهذا يحدث نتيجة لامتصاص أجزاء من الأشعة الكهرومغناطيسية لذلك الإلكترون المرتبط بهذا المعدن، فيكسبه طاقة حركية تؤدي إلى تحريره وحدوث هذه الظاهرة يحتاج للعديد من المتغيرات.
- هذه المتغيرات هي تردد الأشعة الكهرومغناطيسية، وقوة الشعاع الكهرومغناطيسي، وكذلك التيار الفوتو ضوئي، وطاقة الحركة الإلكترون المتحرر من السطح المعدني، ونوع هذا المعدن.
- يحتاج التأثير الكهروضوئي لوجود العديد من الفوتونات، ويكون لهذه الفوتونات طاقة متعادلة تساوي ما يقرب من ميجا واحدة إلكترون فولت في العناصر صاحبت العدد الذري الكبير.
- وتعتبر هذه الظاهرة من الظواهر الهامة جدًا، حيث أنها تساعد على البحث والكشف عن علوم الطبيعة الكمية للضوء وكذلك الإلكترونات، كما تساعد في فهمها بشكٍل كبير وعن قرب.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية
- تحدث هذه الظاهرة في حالة أن قيمة تردد الموجات الساقطة على السطح أكبر من تردد العتبة، وتردد العتبة هو تردد الضوء الأقل الذي يكفي لإرسال الإلكترونات من على سطح المعدن من دون منحها أي طاقة حركية.
- وتحدث هذه الظاهرة بعد السقوط الفوري للموجات الكهرومغناطيسية صاحبة التردد المناسب على أي سطح، ويكون ذلك دون الاهتمام بشدة هذه الموجات الكهرومغناطيسية.
- تعتمد هذه الظاهرة على عدد الإلكترونات التي تنبعث من السطح في اتجاه قوة الضوء الساقط، وهذا يعني أن شدة هذا التيار الذي يمر في دائرة الخلية الكهروضوئية تزداد بعد ارتفاع شدة الضوء المتساقط بشكل مباشر.
- توجد علاقة طردية تربط بين طاقة حركة الإلكترونات مع تردد هذا الضوء الساقط على سطح المعدن، فإذا زادت القيمة العظمي لحركة الإلكترونات المنبعثة زاد تردد الضوء الساقط على سطح المعدن.
آلية انبعاث الطاقة الكهرومغناطيسية
- تمتلك الفوتونات طاقة محددة تتناسب مع تردد الضوء، ففي عملية الانبعاث الضوئي إذا قام الإلكترون بامتصاص طاقة فوتون واحد وكانت طاقته هو أكبر من اقتران عمل المادة سوف نحصل على الإلكترون.
- ولكن إذا حدث وكانت طاقة الفوتون قليلة فلن يقدر الإلكترون على أن يتحرر من المادة، وعندما تزداد قوة الضوء في تزايد عدد الفوتونات الناتجة، مما يؤدي إلي زيادة كمية الإلكترونات المتولدة.
- ولكن هذا لا يؤدي إلى زيادة الطاقة التي يقوم الإلكترون بامتصاصها، وبهذا يتم استنتاج أن هذه الطاقة التي توجد في الإلكترون الناتج لا تعتمد على قوة الضوء الساقط على سطح المعدن.
- ولكن الطاقة التي توجد في الإلكترون تعتمد فقط على طاقة الضوء، وبهذا نستطيع أن نقوم بالربط بين طاقة الفوتون المتساقط على السطح وطاقة الإلكترون الناتج.
- كما تستطيع هذه الإلكترونات امتصاص كل طاقة الفوتونات عندما تعرض لأي شعاع ضوئي، وهي في الكثير من الأحيان تقوم بإتباع مبدأ الحصول على كل شئي أو عدم الحصول على أي شيء.
- فكل الطاقة الموجودة في الفوتون تمتص وتستخدم لتقوم بتحرير إلكترون واحد فقط من الرابطة الذرية، هذا وإلا فإن كل طاقة الفوتون ستعود للانبعاث مرة أخرى.
- وإذا تم امتصاص كل طاقة الفوتون فإن جزء من هذه الطاقة سيقوم بتحرير الالكترون من الذرة، أما باقي الطاقة فسوف يكون عملها هو زيادة طاقة الحركة لهذا الإلكترون الحر.
الملاحظات التجريبية من الانبعاثات الكهروضوئية
- عندما قام العلماء بالبحث والاكتشاف في الظاهرة الكهروضوئية كان من الضروري أن يقوموا بشرح الملاحظات التجريبية للانبعاثات الخاصة بالإلكترونات التي تنتج عن سطح مادة معرضة للضوء.
- ففي حالة وجود معدن معين فأنه يوجد حد أدنى تردد سطح هذا المعدن، فعندما نقوم بتعريض سطح هذا المعدن لتردد أقل فإنه لا يقوم بإنتاج أي إلكترونات ضوئية، والمسمى العلمي لهذا التردد هو تردد العتبة.
- أما عند القيام بزيادة التردد للشعاع الساقط على سطح المعدن والحفاظ على عدد الفوتونات الساقطة عليه بشكل ثابت، سيعمل هذا علي زيادة طاقة الفوتون مما يؤدي لزيادة الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية الناتجة عنه.
- مما يعمل على حدوث زيادة في جهد الإيقاف، كما أن عدد الإلكترونات يتغير بسبب احتمالية أن يقوم كل فوتون بانبعاث إلكترون بشكل مقترن بطاقة الفوتون على تردد العتبة.
- تعتبر الفترة الزمنية التي تفصل بين سقوط الشعاع على سطح المعدن، وخروج الإلكترون الناتج عن هذا السقوط فترة زمنية قليلة بشكل كبير، بما يقترب تقريبًا من العشر ثواني.
- كما يصل اتجاه توزيع هذه الإلكترونات الناتجة عن سقوط الشعاع الضوئي على سطح المعدن، عند اتجاه الاستقطاب أو ما يعرف باتجاه المجال الكهربائي للضوء الساقط، هذا إذا كان مستقطبًا بشكل خطي.
كيفية استغلال الظاهرة الكهروضوئية
- لقد أحدثت الظاهرة الكهروضوئية طفرة كبيرة في علم الفيزياء، كما ساعدت الكثير من العلماء على اكتشاف وعمل أبحاث عن اختراعات عديدة تعتمد على الظاهرة الكهروضوئية.
- فقد كان استخدام الخلايا الكهروضوئية في بداية الأمر يتوقف على تطبيقات الألياف البصرية، والتي كانت تعمل على الكشف عن الضوء عن طريق المصعد والمهبط فقط.
- أما فيما بعد فقد تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية في الخلايا الشمسية، والتي في الأغلب تصنع من مادة السيليكون الخاص بها، ويتم استخدامها بطاريات تخزين طاقة عند تعرضها للشمس ليتم استخدامها فيما بعد.
- كما أنه تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية من وقت قريب في تكنولوجيا التصوير، حيث أنها تعمل في أنابيب الكاميرات ومكثفات الصور، كما يمكن استخدامها في بعض العمليات النووية.
- كذلك فمن الممكن أن يتم توظيف الظاهرة الكهروضوئية بشكل فعال في تحليل العديد من المواد الكيميائية، وذلك عن طريق الاستناد إلى الإلكترونات الناتجة عنها بشكل كبير.
خاتمة بحث عن الظاهرة الكهروضوئية
لقد قدمنا بشكل شامل بحث عن الظاهرة الكهروضوئية، الظاهرة التي منحت اينشتاين جائزة نوبل، والتي تساعدنا بشكل كبير في أمور كثيرة في حياتنا، ويمكن أن نستفيد منها بشكل أكبر في الفترات القادمة.