تعريف التأثير الكهروضوئي والشرح

يحدث التأثير الكهروضوئي عندما تصدر المادة إلكترونات عند التعرض للإشعاع الكهرومغناطيسي ، مثل فوتونات الضوء. فيما يلي نظرة فاحصة على ماهية التأثير الكهروضوئي وكيف يعمل.

يتم دراسة التأثير الكهروضوئي جزئيًا لأنه يمكن أن يكون مقدمة له ازدواجية موجة - جسيم وميكانيكا الكم.

عندما يتعرض السطح لطاقة كهرومغناطيسية ذات طاقة كافية ، سيتم امتصاص الضوء وانبعاث الإلكترونات. يختلف تردد العتبة للمواد المختلفة. أنه ضوء مرئي للمعادن القلوية ، والأشعة فوق البنفسجية القريبة للمعادن الأخرى ، والإشعاع فوق البنفسجي المتطرف لغير المعادن. يحدث التأثير الكهروضوئي مع الفوتونات التي لها طاقات من عدد قليل من الإلكترونات إلى أكثر من 1 MeV. عند طاقات الفوتون العالية المماثلة لطاقة الإلكترون المتبقية من 511 كيلوفولت ، قد يحدث تشتت كومبتون قد يحدث إنتاج الزوج عند طاقات أكثر من 1.022 MeV.

اقترح أينشتاين أن الضوء يتكون من كوانتا ، والتي نسميها الفوتونات. اقترح أن الطاقة في كل كمية من الضوء تساوي التردد مضروب في ثابت (ثابت بلانك) وأن سيكون للفوتون ذو التردد فوق عتبة معينة طاقة كافية لإخراج إلكترون واحد ، مما ينتج عنه كهروضوئية تأثير. اتضح أن الضوء لا يحتاج إلى القياس الكمي من أجل شرح التأثير الكهروضوئي ، ولكن بعض الكتب المدرسية تستمر في القول بأن التأثير الكهروضوئي يوضح طبيعة الجسيمات ضوء.

يؤدي تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي إلى معادلات صالحة للعيان و ضوء الأشعة فوق البنفسجية:

طاقة الفوتون = الطاقة اللازمة لإزالة الإلكترون + الطاقة الحركية للإلكترون المنبعث

hν = W + E

أين
ح هو ثابت بلانك
the هو تواتر الحادث الفوتون
W هي وظيفة العمل ، وهي الحد الأدنى للطاقة المطلوبة لإزالة الإلكترون من سطح معدن معين: hν₀
E هو الحد الأقصى الطاقة الحركية الإلكترونات المقذوفة: 1/2 م²
ν₀ هو تردد العتبة للتأثير الكهروضوئي
م هي الكتلة الباقية للإلكترون المقذوف
v هي سرعة الإلكترون المقذوف

لن ينبعث أي إلكترون إذا كانت طاقة الفوتون الساقط أقل من وظيفة العمل.

تطبيق نظرية أينشتاين الخاصة للنسبيةالعلاقة بين الطاقة (E) والزخم (ع) من الجسيم

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

حيث m هي الكتلة المتبقية من الجسيم و c هي سرعة الضوء في الفراغ.

• يتناسب معدل طرد الإلكترونات الضوئية بشكل مباشر مع شدة الضوء الساقط ، لتردد معين من الإشعاع الساقط والمعدن.
• الوقت بين وقوع وانبعاث إلكترون ضوئي صغير جدا ، أقل من 10^–9 ثانيا.
• بالنسبة لمعدن معين ، هناك الحد الأدنى من تردد الإشعاع الحادث الذي لن يحدث التأثير الكهروضوئي تحته ، لذلك لا يمكن انبعاث إلكترونات ضوئية (تردد العتبة).
• فوق تردد العتبة ، تعتمد الطاقة الحركية القصوى للإلكترون الضوئي المنبعث على تردد الإشعاع الساقط ولكنها مستقلة عن شدته.
• إذا كان الضوء الساقط مستقطبًا خطيًا ، فإن التوزيع الاتجاهي للإلكترونات المنبعثة سيبلغ ذروته في اتجاه الاستقطاب (اتجاه المجال الكهربائي).

عندما يتفاعل الضوء والمادة ، يمكن إجراء عدة عمليات ، اعتمادًا على طاقة الإشعاع الساقط. ينتج التأثير الكهروضوئي من ضوء الطاقة المنخفضة. منتصف الطاقة يمكن أن تنتج تشتت طومسون و نثر كومبتون. يمكن أن يتسبب الضوء العالي الطاقة في إنتاج الزوج.