بحث عن الظاهرة الكهروضوئية، إن البحث عن الظاهرة الكهروضوئية أو اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية ترك أثراً كبيراً على العالم كله، وقد أحدث هذا الاكتشاف ثورة في عالم الفيزياء خاصة فيزياء الكم أو الظاهرة الكهروضوئية أو ما يعرف بالتأثير الكهروضوئي.، هي ظاهرة تحدث نتيجة إطلاق الأجسام الصلبة والسائلة والغازية لمجموعة من الإلكترونات، عندما تبدأ في امتصاص الطاقة المشتقة من الضوء. لذلك نقدم لكم ورقة عن الظاهرة الكهروضوئية لتتعلموها. المزيد حول هذا الموضوع.
في ظاهرة الكهروضوئية
تُعرف هذه الظاهرة أيضًا بإطلاق مجموعة من الإلكترونات بواسطة الأسطح المعدنية عند تعرضها لموجات كهرومغناطيسية أو أشعة ضوئية، وتشمل هذه الظواهر الانبعاث الحراري والثانوي والكهربائي والكهروضوئي:
- عندما نعرض سطحًا معدنيًا للإشعاع الكهرومغناطيسي فوق تردد معين، فسيتم امتصاص الإشعاع وسيتم طرد العديد من الإلكترونات من هذا السطح.
- في معظم الأحيان، يكون هذا التردد المحدد هو التردد المرئي لبعض المعادن القلوية، والتي تكون قريبة من الأشعة فوق البنفسجية مقارنة بالمعادن الأخرى، وتعتبر القيمة القصوى للأشعة فوق البنفسجية غير المعدنية.
- بسبب هذه الأهمية الكبيرة للظاهرة الكهروضوئية التي سنتعرض لها في البحث، كان من الضروري التعرف في الفقرة التالية على تاريخ اكتشاف هذه الظاهرة الفيزيائية المهمة.
- يعود اكتشاف الظاهرة الكهروضوئية إلى عام 1877 م، واكتشفها العالم هيرتز وهاف آتش، عندما لاحظ سهولة توليد بعض الشرارات الكهربائية عند تعرضها لسطح مصنوع من مادة تنقل الأشعة فوق البنفسجية.
- لكن هذا الاكتشاف لم يعلن عنه رسميًا حتى عام 1900 م من قبل العالم ليونارد، واستمر على هذا النحو حتى عام 1905 م، عندما أعلن العالم العظيم أينشتاين تفاصيله عن الظاهرة الكهروضوئية.
- قدم أينشتاين ورقة بحث علمي تحتوي على شرح متكامل لنتائج الظاهرة الكهروضوئية العملية، وأوضح أن طاقة الضوء تتراكم على شكل كميات من الطاقة تعرف بالفوتونات.
- في عام 1921، حصل أينشتاين على جائزة نوبل في فيزياء الكم، نتيجة البحث العلمي الطويل والاهتمام الذي قدمه العلم والعالم بأسره في البحث واكتشاف الظاهرة الكهروضوئية.
أشعة فوق البنفسجية
يمكن للضوء، وخاصة الأشعة فوق البنفسجية، تفريغ جميع الأجسام السالبة الشحنة، مما ينتج عنه إشعاع مشابه في الطبيعة، يُعرف باسم أشعة الكاثود:
- يمكن الحصول على الضوء فوق البنفسجي الذي يسبب هذا التأثير من مصباح القوس، عن طريق حرق عنصر المغنيسيوم، أو عن طريق صنع ملف بين أحد طرفي الزنك ونهاية الكادميوم.
- الأشعة فوق البنفسجية غنية جدًا بالأشعة فوق البنفسجية، على عكس أشعة الشمس التي لا تحتوي على الكثير من الأشعة فوق البنفسجية مثل هذا الضوء.
- حتى كمية الأشعة فوق البنفسجية الموجودة في ضوء الشمس يمتصها الغلاف الجوي تمامًا قبل الوصول إلى الأرض، وعمومًا لا تعطي نفس تأثير مصباح القوس.
- تتكون الخلية الكهربائية من غلاف شفاف مع جزء داخلي من الهواء، وكاثود غير مسخن بسطح كبير يتكون من مادة حساسة للضوء، وأيضًا أنود محمول لإمكانية كهربائية تكون إيجابية عند مقارنتها بالكاثود.
- يمر الضوء عبر الغلاف الشفاف ويصل إلى القطب السالب ويسبب إطلاق العديد من الإلكترونات منه، والتي تنجذب بفرق الجهد المطبق على الأنود وتساعد في توليد تيار كهربائي للأنود.
- ترتبط قوة تيار الأنود بقوة الضوء الساقط عليه من خلال الطلاء الشفاف، وكذلك لون هذه الحزمة، وكذلك فرق الجهد المطبق بين الأنود والكاثود.
- لكن من الممكن في كثير من الحالات أن تكون الخلية الكهروضوئية ضعيفة، لأنها لا تنتج الكثير من الإلكترونات، لذلك اخترع العلماء ما يسمى بالمضاعف الضوئي.
حول المضاعف الضوئي
في كثير من الحالات، لا تكون الخلايا الكهروضوئية حساسة للغاية للكشف عن الخيوط الضوئية الضعيفة، وذلك بسبب التيار الضعيف الناجم عن عدد قليل من الإلكترونات المستخرجة:
- لكن يمكن مضاعفة عدد هذه الإلكترونات عن طريق الانبعاث الثانوي، بحيث نغطي سطح الأنود بمزيج من الفضة والمغنيسيوم، مما يتسبب في إطلاق الإلكترون التالي بطاقة حركية ضخمة للعديد من الإلكترونات الثانوية.
- تتسارع الإلكترونات في المجالات الكهربائية في مسارات ثانوية متتالية، يصدر كل منها العديد من الإلكترونات لإلكترون وارد واحد.
- جهاز المضاعف الضوئي حساس للغاية، ويتكون من كاثود شديد الحساسية، والعديد من المسارات الثانوية التي تساعد في الانبعاث الثانوي، والأنود.
- إذا تضمن المضاعف الضوئي عشرة مسارات ثانوية، يتم تضخيم الإشارة بشكل كبير حتى تصل إلى 910. يمكن استخدام هذا المضاعف الضوئي لقياس المضاعفات الضوئية الضعيفة ودراسة الإشعاع النووي.
- يستخدم الضوء أيضًا لنقل ومعالجة جميع البيانات من خلال استخدام المعدات الإلكترونية الضوئية، بما في ذلك الثنائيات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها الكثير.
كيف تحدث الظاهرة الكهروضوئية
لقد أثبت العلم أن الظاهرة الكهروضوئية تحدث عندما تنبعث بعض الأشعة الكهرومغناطيسية على سطح معدني مما يؤدي إلى تحرير العديد من الإلكترونات الموجودة فوق هذا السطح:
- يحدث هذا نتيجة امتصاص أجزاء من الأشعة الكهرومغناطيسية لذلك الإلكترون الملتصقة بهذا المعدن، وبالتالي اكتساب الطاقة الحركية التي تؤدي إلى تحريره، ويتطلب حدوث هذه الظاهرة العديد من المتغيرات.
- هذه المتغيرات هي تردد الأشعة الكهرومغناطيسية، وقوة الأشعة الكهرومغناطيسية، وكذلك التيار الضوئي، والطاقة الحركية للإلكترون المنطلق من سطح المعدن، ونوع هذا المعدن.
- يتطلب التأثير الكهروضوئي وجود العديد من الفوتونات، وهذه الفوتونات لها طاقة متعادلة تبلغ حوالي ميغا إلكترون فولت في عناصر ذات عدد ذري كبير.
- تعتبر هذه الظاهرة ظاهرة مهمة للغاية، حيث تساعد في البحث والكشف عن العلوم الطبيعية الكمومية للضوء وكذلك الإلكترونات، وتساعد في فهمها عن كثب وعن قرب.
خصائص الظاهرة الكهروضوئية
تحدث هذه الظاهرة إذا كانت قيمة تردد الموجات المتساقطة على السطح أكبر من التردد الحدي، وكان التردد الحدي هو التردد الأدنى للضوء الذي يكفي لإرسال الإلكترونات من سطح المعدن دون إعطائه أي حركية طاقة:
- تحدث هذه الظاهرة بعد السقوط الفوري للموجات الكهرومغناطيسية للتردد المناسب على أي سطح بغض النظر عن شدة هذه الموجات الكهرومغناطيسية.
- تعتمد هذه الظاهرة على عدد الإلكترونات المنبعثة من السطح في اتجاه قوة الضوء الساقط، وهذا يعني أن شدة هذا التيار الذي يمر في دائرة الخلية الكهروضوئية تزداد فورًا بعد شدة الضوء الساقط. . يزيد.
- هناك علاقة مباشرة بين الطاقة الحركية للإلكترونات وتواتر سقوط هذا الضوء على سطح المعدن. إذا زادت القيمة القصوى لحركة الإلكترونات المنبعثة، يزداد تواتر سقوط الضوء على سطح المعدن.
- الفوتونات لها طاقة معينة تتناسب مع تردد الضوء. في عملية انبعاث الضوء، إذا امتص إلكترون طاقة فوتون واحد وكانت طاقته أكبر من اقتران العمل للمادة، فسنحصل على الإلكترون.
- ولكن إذا كانت طاقة الفوتون منخفضة، فلا يمكن تحرير الإلكترون من المادة، وعندما تزداد قوة الضوء، يزداد عدد الفوتونات المنتجة، مما يؤدي إلى زيادة كمية الإلكترونات المتولدة.
- لكن هذا لا يؤدي إلى زيادة الطاقة التي يمتصها الإلكترون، وبالتالي يُستنتج أن هذه الطاقة الموجودة في الإلكترون الناتج لا تعتمد على قوة الضوء الساقط على سطح المعدن.
- لكن الطاقة في الإلكترون تعتمد فقط على طاقة الضوء، وبالتالي يمكننا ربط طاقة الفوتون الساقط على السطح وطاقة الإلكترون الناتج.
- أيضًا، يمكن لهذه الإلكترونات أن تمتص كل طاقة الفوتونات عند تعرضها لأي حزمة ضوئية، وغالبًا ما تتبع مبدأ الحصول على شيء أو الحصول عليه.
- يتم امتصاص كل الطاقة الموجودة في الفوتون واستخدامها لتحرير إلكترون واحد فقط من الرابطة الذرية، وإلا ستنبعث كل طاقة الفوتون مرة أخرى.
- إذا تم امتصاص كل طاقة الفوتون، فإن جزءًا من هذه الطاقة سيحرر الإلكترون من الذرة، وستزيد الطاقة المتبقية من الطاقة الحركية لذلك الإلكترون الحر.
الملاحظات التجريبية للانبعاثات الكهروضوئية
عندما يبحث العلماء ويكتشفون الظاهرة الكهروضوئية، كان من الضروري شرح الملاحظات التجريبية لانبعاث الإلكترونات الناتجة عن سطح مادة معرضة للضوء:
- في حالة وجود معدن معين، يوجد حد أدنى للتردد السطحي لذلك المعدن. عندما نعرض سطح هذا المعدن لتردد أقل، فإنه لا ينتج أي إلكترونات ضوئية، والاسم العلمي لهذا التردد هو عتبة التردد.
- ولكن عند زيادة وتيرة سقوط الحزمة على السطح المعدني والحفاظ على ثبات عدد الفوتونات المتساقطة عليه، فإن هذا سيزيد من طاقة الفوتون، مما يؤدي إلى زيادة الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية التي ينتجها .
- يؤدي هذا إلى زيادة جهد التوقف، ويتغير عدد الإلكترونات بسبب احتمال أن يصدر كل فوتون إلكترونًا بالتزامن مع طاقة الفوتون عند تردد الحد.
- الوقت بين شعاع الحادث على سطح المعدن وطرد الإلكترون الناتج من هذا الخريف هو فترة زمنية قصيرة بشكل ملحوظ، تقترب من عشر ثوان.
- يصل اتجاه توزيع هذه الإلكترونات الناتج عن سقوط شعاع الضوء على سطح المعدن إلى اتجاه الاستقطاب أو ما يعرف باسم اتجاه المجال الكهربائي للضوء الساقط، إذا كان مستقطبًا خطيًا.
كيفية استغلال الظاهرة الكهروضوئية
حققت الظاهرة الكهروضوئية قفزة كبيرة في الفيزياء، وساعدت العديد من العلماء على اكتشاف وإجراء البحوث على العديد من الاختراعات القائمة على الظاهرة الكهروضوئية:
- اعتمد استخدام الخلايا الكهروضوئية في البداية على تطبيقات الألياف الضوئية، والتي كانت تكتشف الضوء فقط من خلال الأنود والكاثود.
- في وقت لاحق، تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية في الخلايا الشمسية، والتي تتكون في الغالب من السيليكون الخاص بها، وتستخدم كبطاريات لتخزين الطاقة عند تعرضها للشمس لاستخدامها لاحقًا.
- كما تم استخدام الظاهرة الكهروضوئية مؤخرًا في تقنيات التصوير، والعمل في أنابيب الكاميرا ومكثفات الصورة، ويمكن أيضًا استخدامها في بعض العمليات النووية.
- من الممكن أيضًا استخدام الظاهرة الكهروضوئية بشكل فعال في تحليل العديد من المواد الكيميائية، من خلال الاعتماد إلى حد كبير على الإلكترونات التي تولدها.