البحث عن التأثير الكهروضوئي ظاهرة أرهقت العديد من العلماء في تطوير التفسيرات العلمية لها، حتى قام الفيزيائيان جيمس كليرك ماكسويل وهندريك لورنتز بدراستها وفهم تداخل الموجات وتفسير ظاهرة الانكسار البصري.، أو ظاهرة التشتت ومن خلال البحث عن التأثير الكهروضوئي، وجد أن أول من لاحظها كان العالم الألماني هاينريش رودولف هيرتز، في عام 1887 م.
دراسة عن التأثير الكهروضوئي وتعريفه وأهم تطبيقاته
تحديد التأثير الكهروضوئي
بحث عن التأثير الكهروضوئي
هي ظاهرة لها مسميات مختلفة منها التأثير البصري أو الظاهرة الكهروضوئية وهي انبعاث الإلكترونات من بعض الموصلات في حالة سقوط الضوء عليها أي أنها ظاهرة يتم فيها عملية تحرير الجسيمات المشحونة كهربائيًا من داخل المادة في حالة امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي، أو كما يطلق عليها ظاهرة انبعاث الإلكترونات من مادة ما، في حالة امتصاص الإشعاع، وأهم الأمثلة على ذلك الأشعة فوق البنفسجية، أو الأشعة السينية، والإلكترونات الناتجة عنها، أو المنبعثة منها، تحمل اسم الإلكترونات الضوئية.
ظاهرة التأثير الكهروضوئي وتفسيرات مختلف العلماء
في البداية، اعتبر إسحاق نيوتن أن الضوء جسيمات، لكنها جسيمات لا تخضع للانحراف أو الانعراج، كما هو الحال مع الضوء، لكن العالم هيغنز الذي قال في تعريض الضوء، إنها موجات لها خصائص الضوء، لكن انبعاث الجسيمات لا ينطبق عليها، يأتي في حالة السقوط على الموصلات، ثم يقول أينشتاين أن تعريف الضوء، هو موجات لها كتلة سكون، ليأتي عام 1887، ليقوم هاينريش هيرتز تجربة حول ذلك، تسبب شرارات تتولد من حقلين صغيرين من المعدن، في جهاز إرسال لتزويدنا بشرح أوضح لها.
بحث عن التأثير الكهروضوئي تفسير هاينريش هيرتز للتأثير الكهروضوئي
بحث عن التأثير الكهروضوئي تفسير هاينريش هيرتز للتأثير الكهروضوئي
وأوضح العالم هيرتز الظاهرة أنها عملية نقل الطاقة الضوئية إلى الإلكترونات مما يؤدي إلى تحرير تلك الإلكترونات، وأي تغيرات في شدة الضوء لها تأثير على الطاقة الحركية لتلك الإلكترونات التي تنبعث منها مباشرة، و بعد ذلك تأتي تجارب أخرى للعلماء تؤكد أن تحرير تلك الإلكترونات نتج عن وصول شدة الضوء إلى حد معين لحدوث هذا التحرير، وإلا فلن تتحرر الإلكترونات.
تجربة هيرتز ومراقبة التأثير الكهروضوئي
– قام Hertz بشحن صفيحة الزنك بشحنة سالبة، ثم قام بتعريضها للأشعة المنبعثة من مصباح بخار الزئبق، والذي لاحظ منه فقدًا تدريجيًا في الشحنة حتى التعادل
لذلك وضع صفيحة زجاجية بين تلك الصفيحة والمصباح، متعمدًا سقوط تلك الأشعة على اللوحة، لزيادة شدة الإضاءة، لكن الشحنة لم تتغير.
عندما قام بشحن صفيحة الزنك بشحنة موجبة، وقام بنفس الخطوات، وعرضها لنفس الأشعة، كانت النتيجة أنه لم تحدث أي تغييرات.
كانت استنتاجاته أنه في حالة تعريض الصفيحة للإشعاع، سيتم استخراج مجموعة من الإلكترونات الحرة من تلك اللوحة، بحيث يتم معادلة الشحنة.
استنتج أن الأشعة المنبعثة من مصباح بخار الزئبق مرئية، الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية، وفي حالة مرورها عبر اللوحة الزجاجية، يتم امتصاص الأشعة فوق البنفسجية، مما يشير إلى أنها عامل رئيسي في التسبب في استخلاص الإلكترونات.
كما أن تلك الإلكترونات المستخرجة لها شد عالٍ وطول موجي قصير، وفي حالة زيادة شدة الإضاءة لم يحدث أي تأثير، مما يشير إلى عدم وجود هذا التأثير.
بحث في التأثير الكهروضوئي .. تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي
بحث في التأثير الكهروضوئي .. تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي
يقول العالم أن الضوء ينتج من الفوتونات التي تشبه الإلكترونات في الذرة، ليكون مختلفًا تمامًا عن الضوء هو موجات، وبدأ بتأكيد تفسيراته وأبحاثه للحصول على براءة اختراع لتلك النظرية، والتي من خلالها الرحلة من التطبيقات على تلك الظاهرة تبدأ في عصرنا، ونعلم أنها في حالة تعرض لسطح معدني للإشعاع الكهرومغناطيسي النشط، كافٍ لامتصاص الضوء، وانبعاث الإلكترونات لتمثيل الضوء المرئي، خاصة بالنسبة للمعادن القلوية، والضوء من هذه الأشعة قريبة من الأشعة فوق البنفسجية للمعادن الأخرى. يمتلك الإلكترون متوسط طاقة الفوتون، ويمكن أن تؤدي زيادة التردد إلى زيادة متوسط الطاقة المطلقة للإلكترونات.
أينشتاين ومعدلاته للتأثير الكهروضوئي
يقول أينشتاين أن طاقة الإلكترون أو الفوتون تساوي الطاقة المطلوبة لتحرير الإلكترون بالإضافة إلى الطاقة الحركية للإلكترون المنبعث، أي hv = w + E، ونوضح المعادلة التي تقول إن h ثابت بلانك، بينما v هو تردد الفوتون، و w هو الشغل الذي تم القيام به، وهو الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لتحرير الإلكترون، بينما E هي أقصى طاقة حركية للإلكترون
نتيجة ما سبق هي الطاقة الحركية للإلكترون، ويتم تعريفها في المعادلة E = 1 / 2mv2، ويشير الرمز m إلى كتلة الإلكترون المنطلق، والرمز v هو سرعة الإلكترون .
بعد تطبيق نظرية النسبية لأينشتاين، ومعها العلاقة بين الطاقة والقوة الدافعة لتلك الجسيمات، تظهر علاقة في المعادلة E = (pc) 2+ (mc) 2 مع كل القوة 2 وكلها إلى القوة من 1 على 2، لاحظ أن الرمز C يشير إلى سرعة الضوء في الفراغ، بينما P هو رمز للقوة الدافعة للجسيمات.
بحث عن التأثير الكهروضوئي .. تطبيقات الحياة على التأثير الكهروضوئي
بحث عن التأثير الكهروضوئي .. الخلايا الشمسية
الخلايا الشمسية
تعتبر الخلايا الشمسية من أهم التطبيقات على ظاهرة التأثير الكهروضوئي، والتي حققت طفرة مذهلة في توفير الطاقة النظيفة للإنسان، وهي مصنوعة من مادة السيليكون الخاصة، وتعمل مثل البطاريات، عند وضعها في ضوء الشمس. لتلعب دورها في تخزين الطاقة وإعادة استخدامها في كثير من المجالات من أهمها توفير التدفئة والإضاءة كبديل للكهرباء.
بحث عن التأثير الكهروضوئي .. الألياف الضوئية
الألياف البصرية
كما كان للتأثير الكهروضوئي دور مهم، في جميع تطبيقات الألياف الضوئية، من خلال استخدام الخلايا الكهروضوئية في عملية الكشف عن الضوء، من خلال ما يعرف بالمصاعد ومهابط الطائرات العمودية.
بحث عن التأثير الكهروضوئي .. تكنولوجيا التصوير
من خلال إمكانية تحديد الانبعاثات الإلكترونية بعدد الفوتونات التي تصل إلى نقطة معينة، يتم من خلالها تحويل تلك الفوتونات الموجودة على جانب الكاثود إلى صورة على الجانب الآخر، وإعادة استخدامها في المجالات الكهربائية والمغناطيسية، من أجل تركيز الإلكترونات على شاشة فسفورية، ويتم إنتاج إلكترون لضرب الشاشة الفسفورية بوميض من الضوء، مما ينتج عنه إطلاق العديد من الإلكترونات، ومثال على ذلك أنابيب كاميرات التليفزيون، أو ماذا يُعرف باسم مكثفات الصورة.