يشير التأثير الكهروضوئي إلى ما يحدث عندما تنبعث الإلكترونات من مادة تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. كان الفيزيائي ألبرت أينشتاين أول من وصف التأثير بالكامل ، وحصل على جائزة نوبل لعمله.
ما هو التأثير الكهروضوئي؟
يمكن استخدام الضوء مع الطاقة فوق نقطة معينة لطرق الإلكترونات فضفاضة ، وتحريرها من سطح معدني صلب ، وفقًا لـ Scientific American. كل جزيء من الضوء ، يسمى الفوتون ، يتصادم مع الإلكترون ويستخدم بعض طاقته لإزاحة الإلكترون. وينتقل ما تبقى من طاقة الفوتون إلى الشحنة السالبة الحرة ، المسماة الإلكترون الضوئي.
فهم كيفية عمل هذا أحدث ثورة في الفيزياء الحديثة. جلبت لنا تطبيقات التأثير الكهروضوئي فتحات أبواب "بالعين الكهربائية" ، وعدادات ضوئية مستخدمة في التصوير الفوتوغرافي والألواح الشمسية والنسخ الضوئي.
اكتشاف
قبل آينشتاين ، كان العلماء قد لاحظوا التأثير ، لكنهم كانوا مرتبكين بسبب السلوك لأنهم لم يفهموا طبيعة الضوء بشكل كامل. في أواخر القرن التاسع عشر ، قرر الفيزيائيون جيمس كليرك ماكسويل في اسكتلندا وهيندريك لورنتز في هولندا أن الضوء يبدو وكأنه يتصرف كموجة. تم إثبات ذلك من خلال رؤية كيفية إظهار موجات الضوء للتداخل والانكسار والتشتت ، وهو أمر شائع في جميع أنواع الموجات (بما في ذلك الموجات في الماء).
لذا كانت حجة أينشتاين عام 1905 أن الضوء يمكن أن يتصرف أيضًا كمجموعات من الجسيمات كانت ثورية لأنه لم يتناسب مع النظرية الكلاسيكية للإشعاع الكهرومغناطيسي. افترض علماء آخرون النظرية أمامه ، لكن أينشتاين كان أول من شرح بالتفصيل سبب حدوث هذه الظاهرة - والآثار المترتبة عليها.
على سبيل المثال ، كان هاينريش هيرتز من ألمانيا أول شخص يرى التأثير الكهروضوئي ، في عام 1887. اكتشف أنه إذا ألقى الضوء فوق البنفسجي على أقطاب معدنية ، فقد خفض الجهد اللازم لجعل شرارة تتحرك خلف الأقطاب الكهربائية ، وفقًا لعلم الفلك الإنجليزي ديفيد دارلينج.
ثم في عام 1899 ، في إنجلترا ، ج. أظهر طومسون أن الضوء فوق البنفسجي الذي يضرب سطح المعدن تسبب في طرد الإلكترونات. جاء القياس الكمي للتأثير الكهروضوئي في عام 1902 ، مع عمل فيليب لينارد (مساعد سابق لهيرتز.) كان من الواضح أن الضوء له خواص كهربائية ، لكن ما يجري كان غير واضح.
وفقا لأينشتاين ، يتكون الضوء من حزم صغيرة ، تسمى في البداية الكوانتا والفوتونات اللاحقة. يمكن فهم كيفية التصرف الكمي تحت التأثير الكهروضوئي من خلال تجربة فكرية. تخيل دائرة رخامية تدور في بئر تشبه إلكترونًا مقيدًا بذر. عندما يدخل الفوتون ، فإنه يضرب الرخام (أو الإلكترون) ، مما يمنحه طاقة كافية للهروب من البئر. هذا يفسر سلوك الأسطح المعدنية الخفيفة.
بينما أوضح أينشتاين ، الذي كان آنذاك كاتب براءات اختراع شاب في سويسرا ، هذه الظاهرة في عام 1905 ، استغرق منح جائزة نوبل لعمله 16 سنة أخرى. جاء ذلك بعد أن لم يتحقق الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان من العمل فحسب ، بل وجد أيضًا علاقة بين أحد ثوابت أينشتاين وثابت بلانك. يصف الثابت الأخير كيف تتصرف الجسيمات والموجات في العالم الذري.
تم إجراء المزيد من الدراسات النظرية المبكرة حول التأثير الكهروضوئي من قبل آرثر كومبتون في عام 1922 (الذي أظهر أن الأشعة السينية يمكن أيضًا معالجتها على أنها فوتونات وحصل على جائزة نوبل في عام 1927) ، وكذلك رالف هوارد فاولر في عام 1931 (الذي نظر إلى العلاقة بين درجات حرارة المعادن والتيارات الكهروضوئية.)
التطبيقات
في حين أن وصف التأثير الكهروضوئي يبدو نظريًا للغاية ، فهناك العديد من التطبيقات العملية لعمله. تصف بريتانيكا بعض الأمثلة:
تم استخدام الخلايا الكهروضوئية في الأصل للكشف عن الضوء ، باستخدام أنبوب مفرغ يحتوي على مهبط ، لإصدار الإلكترونات ، وأنود ، لجمع التيار الناتج. واليوم ، تقدمت هذه "الأنابيب الضوئية" إلى الثنائيات الضوئية القائمة على أشباه الموصلات المستخدمة في تطبيقات مثل الخلايا الشمسية واتصالات الألياف الضوئية.
الأنابيب المضاعفة ضوئيًا هي اختلاف في الأنبوب الضوئي ، ولكن لديها العديد من الصفائح المعدنية التي تسمى الديودات. يتم تحرير الإلكترونات بعد أن يضرب الضوء الكاثود. ثم تسقط الإلكترونات على الديود الأول ، الذي يطلق المزيد من الإلكترونات التي تسقط على الديود الثاني ، ثم إلى الثالث والرابع وما إلى ذلك. يضخم كل ديناميت التيار ؛ بعد حوالي 10 ديناميات ، يكون التيار قويًا بما يكفي للمضاعفات الضوئية للكشف عن الفوتونات المفردة. تستخدم أمثلة على ذلك في التحليل الطيفي (الذي يقسم الضوء إلى أطوال موجية مختلفة لمعرفة المزيد عن التركيبات الكيميائية للنجم ، على سبيل المثال) ، والتصوير المقطعي المحوسب (CAT) الذي يفحص الجسم.
تشمل التطبيقات الأخرى للثنائيات الضوئية والمضاعفات الضوئية ما يلي:
- تكنولوجيا التصوير ، بما في ذلك أنابيب الكاميرا التلفزيونية (القديمة) أو مكثفات الصور ؛
- دراسة العمليات النووية ؛
- التحليل الكيميائي للمواد بناءً على إلكتروناتها المنبعثة ؛
- إعطاء معلومات نظرية حول كيفية انتقال الإلكترونات في الذرات بين حالات الطاقة المختلفة.
ولكن ربما كان أهم تطبيق للتأثير الكهروضوئي هو إطلاق الثورة الكمومية ، وفقًا لـ
مجلة Scientific American. لقد دفع الفيزيائيين إلى التفكير في طبيعة الضوء وبنية الذرات بطريقة جديدة تمامًا.
