التأثير الكهروضوئي هو ببساطة إطلاق مجموعة من الالكترونات عند سقوط أشعة كهرومغناطيسية على أسطح بعض المعادن كان أول من لاحظ هذه الظاهرة هو هرتز Hertz بين عامي 1886 و1887 بطريقة غيرة مباشرة وهو يعمل حول تجاربه المشهورة في اكتشاف الموجات الكهرومغناطيسية التي تنبأ بها ماكسويل Maxwell. فقد تبين له أن سقوط الأشعة فوق البنفسجية على أنبوبة التفريغ الكهربائي يسهل عملية التفريغ. بالطبع لم يكن هرتز على علم بأن هناك جسيمات مشحونة تنطلق من السطح تسمى الكترونات. بل تم ذلك بعد اكتشاف جوزيف طومسون j.Thomson للإلكترون عام 1897 حيث تمكن لينارد Lenard عن كشف هوية هذه الجسيمات وهي الالكترونات وأطلق على هذا التأثير اسم التأثير الكهروضوئي Photoelectric effect .

يبين الشكل (7–1) الجهاز المستخدم في تجربة التأثير الكهروضوئي. يتكون الجهاز بشكل عام من الخلية الكهروضوئية والتي تحتوي على سطح معدني يسمى الكاثود، وهو سالب الجهد الكهربائي وسطح معدني آخر يسمى الأنود وهو موجب الجهد الكهربائي. يتم وضع المعدنيين داخل وعاء زجاجي مفرغ تماما من الهواء ومزود بنافذة من الكوارتز، وذلك لان الزجاج يمتص معظم الأشعة قبل وصولها إلى سطح المعدن. يتصل كل من سطحي المعدن بأميتر وفولتميتر لقياس شدة التيار وفرق الجهد على التوالي يوجد كذلك مصدر للطاقة الكهربائية وذلك لخلق مجال كهربائي يتجه من الأنود إلى الكاثود أيضا هناك مفتاح عاكس للجهد الكهربائي، اي قادر على قلب اتجاه المجال الكهربائي وذلك لأغراض تجريبية.

شكل (7–1)

الجهاز المستخدم الدراسة التأثير الكهروضوئي.

تتلخص نتائج تجربة التأثير الكهروضوئي في النقاط التالية:

– يعتمد إطلاق الالكترونات من السطح المعدني على التردد او طول موجة الإشعاع الساقط، وكذلك يعتمد على نوعية المعدن إن التردد القادر على نزع الالكترونات من المعدن يجب أن يكون أكبر من تردد يسمى (تردد العتبة) threshold frequency.

– هناك علاقة طردية بين التيار الكهربائي إن وجد وشدة الضوء ⁵ الساقط، وذلك عند ثبات تردد الضوء وفرق الجهد بين اللوحين الكاثود والأنود.

– عند زيادة الجهد السالب على لوح الكاثود، ترد بعض الالكترونات ذات الطاقة المنخفضة إلى الوراء، ولا تصل إلى الأنود، مما يؤدي إلى نقصان في شدة التيار الكهربائي. يسمى هذا الجهد ب (جهد الإرجاع) retarding potential. وإذا ما زيد هذا الجهد تدريجيا سيصل إلى قيمة معينة، تنعدم عندها شدة التيار الكهربائي، أي يتوقف سريان الالكترونات يسمى الجهد في هذه الحالة ب (جهد الإيقاف) stopping potential، ويرمز له بالرمز V. من الممكن ان تتم هذا العملية أيضا بعكس اتجاه المجال الكهربائي بواسطة المفتاح الكهربائي.

هناك علاقة رياضية كلاسيكية بين طاقة الحركة العظمى للإلكترونات، وجهد الإيقاف V، تعطى كالتالي:

كان من المتوقع أن تفسر هذه العلاقة جميع نتائج التجربة، لكن ظلت هناك عدة نقاط فشلت في تفسيرها أولا: تعتمد طاقة الحركة العظمى للإلكترونات على تردد الضوء الساقط لا على شدته. ثانيا: وجود حد أدنى من التردد (تردد العتبة)، بحيث لا تنطلق الالكترونات إذا كان تردد الضوء الساقط أقل منه ثالثا: الفترة الزمنية بين سقوط الأشعة الضوئية على سطح المعدن وصدور الالكترونات فترة أنية، وهذا غير متوقع في ظل قوانين الفيزياء الكلاسيكية. إذ لابد من وجود فارق زمني يعتمد على شدة الإشعاع الساقط. كيف يمكن التغلب على هذه الصعوبات، إن الأمر بحاجة إلى حركة راديكالية أخرى، شبيه بحركة بلانك.

___________________________________________

هوامش

[5] شدة الضوء: كمية الضوء العمودية على وحدة المساحات.