يُعرَّف التأثير الكهروضوئي بأنه الظاهرة التي يتم بواسطتها تحرير الجسيمات المشحونة كهربائيًا أو من داخل مادة ما عندما تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي. التأثير الكهروضوئي هو طرد الإلكترونات من الصفائح المعدنية عند سقوط الضوء عليها.

  • ارتبك العديد من العلماء في تحديد ماهية الضوء وما إذا كان جسيمًا، كما قال نيوتن، لكن الجسيمات لا تنحرف، لكن العالم Huygens أشار إلى أن الضوء عبارة عن موجات، لكن خصائص الضوء ليست هي نفسها انبعاث الجسيمات، وآخر أينشتاين عرّف الضوء على أنه فوتونات، أي موجات ولها نوم جماعي.
  • كما ظهر تعريف أكثر شمولاً وعمومية لها، وهو أن الطاقة المنبعثة من الأشعة تحت الحمراء أو المرئية أو فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو أشعة جاما ليست سوى مادة صلبة وسائلة وغازية، حيث تخرج منها الجسيمات. مثل الأيونات، والأيونات هنا تعني الذرات أو الجزيئات المشحونة كهربائيًا. .
  • وقد لوحظ التأثير الكهروضوئي بإطلاق إلكترونات على بعض المعادن التي تتعرض للإشعاع الضوئي والتي تعرف بـ (الانبعاث الكهروضوئي). يتم ذلك من خلال ميكانيكا الموجات، أو ما يعرف بميكانيكا الكم.
  • شرح أينشتاين الظاهرة الكهروضوئية على أساس امتصاص الضوء في شكل جسيمات منفصلة تسمى الفوتونات، وجعلته تلك الدراسة جائزة نوبل عن عمله العام.
  • تعتمد الكهروضوئية على مستوى الجسيم الذي يتأثر بالفوتون والإلكترون الحر الموجود في المعدن.
  • تم اكتشاف التأثير الكهروضوئي عام 1887 م من قبل العالم “هاينريش رودولف هيرتز”، حيث لاحظ أثناء عمله على موجات الراديو أن الضوء فوق البنفسجي يتواجد بين قطبين معدنيين ويوجد جهد مطبق من خلالهما، وهذا الضوء يتسبب في حدوث تغير في الموجات الراديوية. الجهد الناتج عن حدوث الشرارة، بالإضافة إلى أنه أوضح العلاقة بين الضوء والكهرباء، وهو ما يسمى الآن الكهروضوئية.
  • في عام 1902 م على يد عالم فيزياء ألماني يُدعى “فيليب لينارد”، أظهر أن الأجسام المشحونة كهربائيًا يمكن أن تنبثق من سطح المعدن عند إضاءة السطح، وهذا يتفق مع بحث الفيزيائي البريطاني “جوزيف جون طومسون” في عام 1897 م.
  • أوضحت العديد من الأبحاث حول التأثير الكهروضوئي ما هو عليه، فهو تفاعل بين الضوء والمادة وبالتالي لا يمكن تفسيره بالفيزياء القديمة، والتي تقوم على وصف الضوء على أنه موجة كهرومغناطيسية، وهي من أهم الموجات التي لا يمكن تفسيرها. الملاحظات، وهي الطاقة الحركية القصوى للإلكترونات المحررة. تتغير مع شدة الضوء، وهذا ما ورد في نظرية الموجة.

عمل أينشتاين على التأثير الكهروضوئي

في عام 1905، نشر ألبرت أينشتاين أربع أوراق بحثية في Annalen der Physik، والتي كانت سبب حصوله على جائزة نوبل. الورقة الأولى كانت عبارة عن شرح مفصل لعملية التأثير الكهروضوئي.

  • هذه هي الورقة الوحيدة التي تم الاعتراف بها في جائزة نوبل، حيث أوضح أينشتاين نظريته بناءً على ما قدمه ماكس بلانك في نظريته عن “الإشعاع الأسود”، حيث اقترح ألبرت أن الطاقة المشعة هي تلك التي يمكن توزيعها بشكل مستمر على شكل موجات. بالإضافة إلى إمكانية وضعها في حزم صغيرة لتعرف بـ “الفوتونات”.
  • يمكن ربط طاقة الفوتون بالتردد (ν)، من خلال ثابت بلانك (h)، المعروف بثابت التناسب، كل ذلك من خلال الطول الموجي (λ) وسرعة الضوء (ج) من خلال العلاقة التالية
    • E = hν = hc / λ أو p = h / “المعادلة الحركية”.
  • تخرج الإلكترونات الضوئية بسبب تفاعلها مع فوتون واحد، بدلاً من التفاعل مع الموجة ككل، حيث يتم نقل الطاقة من الفوتون إلى الإلكترون مباشرة.
  • تتناسب الطاقة طرديًا مع التردد، إذا كانت الطاقة أو التردد منخفضًا، فلا يمكن دفع () إلى الخارج حتى تتغلب على وظيفة العمل لأي إلكترون.
  • ولكن عندما تكون الطاقة أكبر من φ في فوتون واحد، فإنها تبعث إشعاعًا بالإضافة إلى وجود الطاقة الحركية للإلكترون، ويمكن التعبير عن الطاقة على أنها K max = hν –
  • لذلك، تتنبأ نظرية أينشتاين بأن الطاقة الحركية القصوى لا تتعلق بكثافة الضوء، حيث يمكن تسليط ضعف شدة الضوء على المعدن ولا يتم تحرير أي إلكترونات أو تحرير كمية زائدة منه. عندما تكون الطاقة أكبر من الوظيفة أو مساوية لها، فهذا يساعد على تحرير الإلكترونات، ولكن إذا كانت أقل منها، فلن تؤثر على أي إلكترون.
  • عندما تكون الطاقة المستخدمة أكبر من وظيفة العمل، فإن هذا يتسبب في إطلاق الإلكترونات من سطح المعدن بالإضافة إلى إعطائه طاقة حركية.
  • إذا كانت الطاقة مساوية لوظيفة الشغل، تتحرر الإلكترونات من السطح بدون أي طاقة حركية.

اكتشافات بعض العلماء في التأثير الكهروضوئي

في عام 1922، قام الفيزيائي آرثر كومبتون بقياس التغير في الطول الموجي للأشعة السينية بعد تفاعلها مع الإلكترونات الحرة.

  • أوضح كومبتون أيضًا أنه من الممكن حساب التغيير في الأشعة السينية لأنها فوتونات. حصل كومبتون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1927 م لما اكتشفه.
  • في عام 1931، قام عالم الرياضيات البريطاني رالف هوارد فاولر بتوسيع مفهوم الانبعاث الكهروضوئي من خلال تحديد العلاقة بين التيار الكهروضوئي ودرجة الحرارة في المعادن.
  • أظهرت بعض الجهود الأخرى أيضًا أن الإشعاع الكهرومغناطيسي يمكن أن يصدر بعض الإلكترونات في العوازل التي توصل الكهرباء، ولكن في ظل ظروف محدودة.

تطبيقات التأثير الكهروضوئي

على الرغم من أن الحديث عن التأثير الكهروضوئي هو أمر نظري للغاية، فقد تم استخدامه في العديد من التطبيقات العلمية.

  • في البداية تم استخدام الخلايا الكهروضوئية لاكتشاف الضوء، من خلال أنبوب مفرغ يحتوي على كاثود حتى انبعاث الإلكترونات، بالإضافة إلى احتوائه على أنود لتجميع التيار الكهربائي الناتج. فكرتها على أشباه الموصلات، كما أنها تستخدم في تطبيقات الخلايا الشمسية واتصالات الألياف الضوئية.
  • تعد الأنابيب الضوئية المتعددة نوعًا مختلفًا من أنابيب الضوء، حيث تشتمل على العديد من الصفائح المعدنية التي تسمى “الثنائيات”. يتم إنتاج الإلكترونات عن طريق اصطدام الضوء بالكاثودات، ثم تسقط الإلكترونات على الصمام الثنائي الثاني والصمام الثنائي الثالث والرابع أيضًا.
  • يقوم كل ديود بتضخيم التيار لأن عدد الثنائيات يصل إلى 10، وبالتالي يصبح التيار قويًا جدًا بالنسبة للمضاعفات الضوئية حتى يتم اكتشاف فوتونات مفردة.
  • يمكن استخدام المثال السابق في التحليل الطيفي، الذي يقسم الضوء إلى أطوال موجية مختلفة لتحديد المركبات الكيميائية، ويستخدم التصوير المقطعي المحوري الآخر “CAT” في فحص الجسم.
  • بالإضافة إلى وجود بعض التطبيقات الأخرى للديودات الضوئية والمضاعفات الضوئية، وتشمل هذه التطبيقات ما يلي
    • قدم معلومات نظرية حول كيفية تحرك الإلكترونات في الذرات بين حالات الطاقة المختلفة.
    • تكنولوجيا التصوير، مثل أنابيب كاميرات التليفزيون أو مكثفات الصورة.
    • التحليل الكيميائي للمواد حسب إلكتروناتها المنبعثة.
    • دراسة العمليات النووية.