الفعل الكهروضوئي

1.3 - إبراز ظاهرة الفعل الكهروضوئي:

اكتشف الفعل الكهروضوئي، سنة 1887 ، من طرف العالم هرتزHERTZ  ، من خلال تجربته المشهورة المسماة باسمه ( تجربة  هرتز ) ، المبينة بالشكل أدناه .

ملاحظات و نتائج من خلال تجربة هرتز: - الحالة الأولى : لا يحدث تغيير لورقتي الكشاف الكهربائي ، دلالة على أن هذه الظاهرة لا تؤدي إلى تثبيت   إلكترونات . - الحالة الثانية : تطابق ورقتا الكشاف الكهربائي ، دلالة على أن هذه الظاهرة تؤدي إلى نزع إلكترونات . - الحالة الثالثة : عدم تطابق ورقتا الكشاف الكهربائي عند إعتراض الحزمة الضوئية بصفيحة من الزجاج ، يجعلنا نركز إهتمامنا على خواص الزجاج إزاء الأشعة الضوئية .    المعروف من خواص الزجاج ، عدم تمرير الأشعة فوق البنفسجية ، هذا يجعلنا نرجع حدوث الظاهرة من أجل نوع معين من الإشعاعات الضوئية .    إذن يمكن نزع  إلكترونات من معدن بتسليط حزمة ضوئية لإشعاعة أحادية اللون عليه . و تمكن فيزيائيون آخرون من التوصل إلى مايلي : 1- لا يظهر الفعل الكهروضوئي ، إلا إذا كانت الإشعاعية الأحادية اللون ذات طول موجة مناسب أقل من قيمة حدية لطول الموجة أي عتبة الإصدار الكهروضوئي . 2 - هذه القيمة لعتبة الإصدار ، لا ترتبط إلا بطبيعة المعدن المستعمل . 3 - إذا كان الضوء يحمل الطاقة اللازمة لنزع الإلكترونات تدريجيا ( كما هو الحال من أجل النموذج الموجي ) ، يكفي إضاءة المعدن خلال فترة طويلة لتحقيق نزع الإلكترون . لكن ذلك لم يتحقق ، إذ مهما عرضنا المعدن لضوء طول موجته أكبر من  عتبة الإصدار الكهروضوئي ، لا يحدث نزع الإلكترونات ، و مهما كانت غزارة تدفق هذا الضوء ( الإستطاعة الضوئية ) . هذا يبين عدم إمكانية تفسير ظاهرة الفعل الكهروضوئي بالإعتماد على النظرية الموجية . 2.3 - تفسير ألبرت أينشتين لظاهرة الفعل الكهروضوئي:   في سنة 1905 ، نشر Albert Einstein مقالا بين فيه تفسير ظاهرة الفعل الكهروضوئي ، حيث أدخل مفهوم المزاوجة و التفاعل بين الإشعاع و المادة ، و عوض الجسيمات الضوئية التي إعتبرها  Newtonسابقا ، الكمات (الكوانتات ) التي سميت فيما بعد بالفوتونات . أي أن الضوء يتركب من جسيمات تسمى الفوتونات لكل فوتونات الضوء الأحادي اللون الذي تواتره (ن) ، نفس الكمية (الكمة) من الطاقة :  ط =  ثا . ن حيث : ثا ثابت بلانك  نسبة إلى  Planck Max  . و يقدر بـ : 6.625 × 10- 34 جول×ثانية       تنتقل هذه الفوتونات عبر الفراغ بسرعة الضوء  سر0 =  000 300 م.ثا-1.أي أن الطاقة الإشعاعية ، تملك بنية جسيمية و هو ما يتضمن فرضية الفوتون .و يعبر عن هذه الطاقة بالإلكترون فولط (e.فولط) . 1 e.فولط = 1.602× 10- 19 جول    إن فوتونات المجال المرئي ذات أطوال موجات من رتبة بعض الأعشار من الميكرومتر، أي ذات طاقة ( ط ) أكبر بقليل من 1 e.فولط . إذا تجاوزت هذه الطاقة 1 كيلو e.فولط ، نكون داخل مجال الفوتونات ذات الطاقات العالية ( فوتونات الأشعة السينية x و فوتونات الأشعة غاما γ ) .      لدراسة ظاهرة الفعل الكهروضوئي دراسة دقيقة ، نستخدم الخلية الكهروضوئية . 1.3.3  – الخلية الكهروضوئية :     هي عبارة عن حبابة من زجاج خاص ( السيليس ) ، يسمح بمرور الإشعاعات الضوئية ، حتى فوق البنفسجية ، وهي مفرغة من الهواء إلى درجة كبيرة . ثبت بداخلها مسريان معدنيان ، أحدهما المهبط ، و هو عبارة عن صفيحة معدنية مستوية أو أسطوانية مطلية بالمعدن المدروس ، يوصل عادة  بالقطب السالب للمولد أثناء توصيل الخلية الكهروضوئية بالدارة الكهربائية  ، يرمز له بـ ( ص ) ، و الآخر المصعد ، يوصل بالقطب الموجب للمولد ، و هو عبارة عن سلك معدني يرمز له بـ (س) ، يعرض المهبط للضوء . مفرغة من الهواء إلى درجة كبيرة . 2.3.3  – الدراسة التجريبية :                             نوصل الخلية الكهروضوئية في الدارة الكهربائية كما هو موضح بالشكل التالي : نستعمل التوتر متغير ، يصل إلى بعض العشرات من الفولطات ، كما يمكن قلب أقطابه من أجل توصيل معاكس    نضيء الخلية بإشعاعات ضوئية مختلفة ، أحادية اللون ، مع إمكانية  تغيير شدة الحزمة الضوئية ( أي تغيير الإستطاعة الضوئية ) .          نعتبر الحالة التي يكون فيها مهبط الخلية الكهروضوئية مضاءا بضوء أحادي اللون شدته ثابتة ، إذا أنقصنا التوتر ف بين المسريين بالتدريج إبتداءا من قيمة يتحقق عندها الإشباع ( أي يكون التيار الكهروضوئي ش ثابتا ) ، نلاحظ أن هذا التيار يبدأ يتناقص شيئا فشيئا حتى ينعدم من أجل توتر سالب (- ف0 ) . يسمى ف0  ، كمون الإيقـاف .    يمكن ان نوضح ذلك كالتالي :       ينتزع كل إلكترون بسرعة من المعدن ، لكن تكون متفاوتة من إلكترون لآخر ، و بالتالي البعض من هذه الإلكترونات يبلغ المصعد ، حتى و إن كان كمون هذا المصعد سالبا قليلا . لكي يدفع السلك - في الحالة التي يكون كمونه سالبا – كل الإلكترونات التي تصل إليه ، يجب أن يكون عمل القوة الكهربائية المرجعة للإلكترونات إلى المعدن الذي أنتزعت منه ، أكبر من الطاقة الحركية للإلكترونات الأسرع . بقياس ف0 ، نستطيع أن نستنتج القيمة الأعظمية للطاقة الحركية للإلكترونات المنتزعة من المعدن و تكون :     من أجل سر0     ، يصل الإلكترون إلى السلك بسرعة معدومة .     و من أجل سر1   ، لا يصل الإلكترون إلى السلك .     أما من أجل سر2  ، يصل الإلكترون إلى السلك بسرعة غير معدومة .     أجرى العالم Millikan   تجارب عديدة ، إستعمل فيها الصوديوم و البوتاسيوم ، و توصل إلى أن الطاقة الحركية الأعظمية للإلكترونات المنتزعة معدومة من أجل التواتر ( ن0 ) للعتبة الكهروضوئية ، و تزداد بإزدياد التواتر ( ن ) للإشعاعة المستعملة ، كما تتناسب طردا مع الفرق ( ن – ن0  ) ، حيث : و منه ننص القانون الثالث للفعل الكهروضوئي كالتالي :    عندما نضيء معدنا بضوء أحادي اللون ، تكون الطاقة الحركية الأعظمية للإلكترونات المنتزعة :       - مستقلة عن الطاقة الضوئية الكلية المسلطة على المعدن .       - دالة خطية بالنسبة لتواتر هذه  الإشعاعة .      إن النظرية الموجية للضوء عاجزة عن تفسير ظاهرة الفعل الكهروضوئي و تبرير قوانينه ، لكن بتبني نظرية جديدة ، تسمى النظرية الجسيمية ، التي وضعها Albert Einstein ، نستطيع بسهولة تفسير ذلك ، على أساس أنه : 1- يمكن تمثيل الحزمة الضوئية الأحادية اللون ، بتدفق لجسيمات تسمى الفوتونات ، لكل فوتون منها طاقة تتناسب طردا مع تواتر هذا الضوء :    ط = ثا. ن . 2- عندما يكون المعدن باردا ، تكون الإلكترونات حرة ، لا تكفي الطاقة التي تمتلكها من إخراجها من المعدن 3- لنزع إلكترون من المعدن ، يجب أن نقدم له على الأقل طاقة  ط 0 تسمى عمل الإنتزاع ، يرتبط بطبيعة المعدن . 4- لا يمكن للفوتون أن يؤدي-عند تسليطه على المعدن- إلى إنتزاع إلكترون إلى إذا كانت طاقته أكبر من ط0،أي:   و بالتالي العتبة الكهروضوئية : و من هذا فإن الإشعاعات ذات التواتر  الأكبر من ن0 هي وحدها القادرة على إحداث ظاهرة الفعل الكهروضوئي 5 – كل فوتون يؤدي إلى إنتزاع إلكترون واحد ، فيكون عدد الإلكترونات المنتزعة مساويا إلى عدد الفوتونات الفـعـالة ، و بالتالي يتناسب طردا مع الطاقة الضوئية الممتصة ، إذ يوجد البعض من الفوتونات لا يتمكن من تقديم طاقته للإلكترون . 6 – و أخيرا ، إذا كانت طاقة الفوتون أكبر من تلك اللازمة لإنتزاع الإلكترون ، فإن الفائض منها يحمله الإلكترون على شكل طاقة حركية ، قيمتها الأعظمية :       لا ترتبط هذه الطاقة الحركية بالطاقة الضوئية الكلية ، و إنما ترتبط بطاقة الفوتون الواحد . فلا ينطبق مبدأ تجميع الطاقات من أجل الوصول إلى الفعالية لأن هذا الإنتزاع يحدث آنيا ، لكل فوتون مهمة إنتزاع إلكترون . 5.3 – الفوتون :      لمزيد من التوضيح ، لا يذهب بنا الأمر إلى إلى التفكير في وجود عدد لا نهائي من الفوتونات موافقا للعدد اللانهائي من الإشعاعات الضوئية الإحادية اللون . لكن في الحقيقة يوجد نوع واحد من الفوتونات ، مثل تواجد نوع واحد من الإلكترونات . إذ الفرق الوحيد بين " الفوتون البنفسجي " و " الفوتون الأحمر " يتمثل في الإختلاف بين طاقتيهما : ط الفوتون البنفسجي ≈ 2.ط الفوتون الأحمر .      تنتشر هذه الفوتونات بسرعة الضوء ، إذ من المستحيل إعطائها كتلة بسبب هذه السرعة الكبيرة جدا ، ومنه يمكن أن نقول : الفوتون هو جسيمة ذات كتلة معدومة ، وله دائما سرعة حدية : سر0 = 000 300كلم.ثا-1 نطلق كلمة الضوء على الجزء المرئي من المجموعة الواسعة من الإشعاعات ،كل هذه الإشعاعات ذات طبيعة كهرومغناطيسية و تنتشر في الفراغ بنفس السرعة : حوالي 000 300 كلم/ثانية ، تختلف عن بعضها البعض من حيث طول الموجة و الطاقة التي تحملها ، تزداد الطاقة من أجل الإشعاعات ذات أطوال موجات قصيرة . يتم الحصول على الإشعاعات الخاصة بالمجال المرئي بتحليل الضوء الأبيض عن طريق الموشور ، و يتم ذلك بتمرير الضوء الأبيض عبره ، فيتحلل معطيا الطيف المرئي ، الذي يمتد من الإشعاع الذي طول موجته 380نانومتر إلى الإشعاع الذي طول موجته 780 نانومتر .      لإعطاء تفسير لظاهرة الفعل الكهروضوئي ، لجأنا لتمثيل الحزمة الضوئية بتدفق من الجسيمات و هي الفوتونات . لكن لا نسقط النظرية الموجية ، إذ هي الوحيدة التي مكنتنا من إعطاء تفسير لظاهرتي تداخل و إنعراج الضوء ، هذا من جهة ، ومن جهة أخرى  إن نظرية الفوتونات ليست جسيمية بحتة ، لأن التعريف المعطى لطاقة الفوتون ، يأخذ بعين الإعتبار معامل مهم و هو التواتر ( ن )  للموجة الضوئية : ط = ثا. ن     لفهم مجموعة الظواهر الضوئية ، يلزم المزاوجة بين الأمواج و الفوتونات ، و يمكن أن نعبر عن ذلك كالتالي : إن الحزمة الضوئية عبارة عن تدفق لفوتونات محمولة على موجة كهرومغناطيسية .  ذهب الفيزيائيون إلى العمل بالطابعين الموجي و الفوتوني ( الجسيمي ) للضوء ، دون إقصاء أي منهما ، إذ أن كل واحد منهما يمثل جزءا من الحقيقة :  نطبق النظرية الموجية  في الحالة التي تبقى فيها الطاقة بشكلها الضوئي كما هو الحال في ظاهرتي التداخل و الإنعراج للضوء . -       و نطبق النظرية الفوتونية ، في كل مرة يكون هناك إصدار أو إمتصاص لطاقة ضوئية ، كما هو الحال في ظاهرة الفعل الكهروضوئي .     أ/ الخلية الكهروضوئية :    لإجراء تحقيق تجريبي لظاهرة الفعل الكهروضوئي ، يستحسن إستعمال معدن نقي ، لكن في مجال التطبيقات التقنية ، نستعمل مهابط مغلفة بطبقة ذات بنية مركبة مناسبة تمكن من إنتزاع الإلكترونات بسهولة من جهة ، و أن تكون العتبة الكهروضوئية واقعة بالقرب من المجال غير المرئي تحت الأحمر من جهة أخرى ، هذا ما يجعل الخلية حساسة لكل الإشعاعات المرئية .     من بين الطبقات الحساسة المستعملة بكثرة هي من السيزيوم على طبقة من أكسيد الفضة . وتعطي تيارات ضعيفة جدا ، أقل من 10- 8 أمبير ، و هذا ما يجعلنا نلجأ إلى تضخيم هذا التيار بمضخم مناسب قبل إستعماله .     تستعمل في المخابر للعديد من القياسات كقياس الشدة الضوئية ، كما تستعمل في الميدان التجاري و خاصة و خاصة في الميدان السينمائي كقراءة الأفلام الصوتية . ب/ الأعمدة الكهروضوئية :     يطلق التقنيون إسم الخلية الكهروضوئية علىكل جهاز يعطي تيارا كهربائيا عند تسليط الضوء عليه ، رغم أنه يعتمد على ظاهرة مخالفة للإصدار الكهروضوئي للإلكترونات . نذكر أن خلية السيلينيوم تتألف من طبقة من السيلينيوم موضوعة فوق صفيحة من الفولاذ و تكون مغلفة بطبقة رقيقة جدا من الذهب لكي تكون هذه الأخيرة شفافة . هذه الخلية هي عمود كهروضوئي  ، نظرا لأنها تعمل عمل مولد عند تسليط الضوء عليها .     تستعمل " كعين كهربائية " : حيث توضع في مكان تستقبل فيه حزمة ضوئية ، تشغل مرحلا بمجرد مرور جسم غريب أمامها يؤدي إلى منع الحزمة الضوئية من السقوط على الخلية ، و بالطبع للمرحل تحكم معين يؤديه ، كتشغيل عداد الزوار لمعرض أو السلم الميكانيكي إلى غير ذلك من الإستعمالات .