التأثير الكهروضوئي

لاحظ العديد من العلماء ظاهرة التأثير الكهروضوئي على مدى سنوات، إلا أنهم لم يستطيعوا تحديد أو فهم طبيعة السلوك الضوئي هذا. وهكذا حتى القرن التاسع عشر عندما بدأ الفيزيائيان جيمس كلارك ماكسويل وهندريك لورينتز دراسة هذه الظاهرة وتداخل الموجات الضوئية وكل من ظاهرتي الانكسار والتشتت. واستمرت الدراسات حتى توجه العالم ألبرت آينشتاين إلى دراسة هذه الظاهرة، واستطاع الوصول إلى الكشف عن الملامح الرئيسية لها وشرحها والآثار المترتبة عليها.

لوحظ التأثير الكهروضوئي لأول مرة عام 1887 بواسطة هاينريش هرتز أثناء إحدى التجارب التي قام بها، نتيجة تسبب الشرر المتولد بين مجالين معدنيين صغيرين في جهاز إرسال في إحداث شررٍ بين مجالين معدنيين مختلفين في جهاز الاستقبال.

بدأ تفسير هذه الظاهرة على أنها عملية انتقال الطاقة الضوئية إلى الإلكترونات، مما يؤدي إلى تحريرها، بالتالي فإن أي تغييرٍ في الشدة الضوئية سيؤثر على الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة بشكلٍ طرديٍّ. ومع الوقت والعديد من التجارب، استطاع العلماء التوصل إلى أن تحرير الإلكترونات يحدث فقط عند بلوغ الشدة الضوئية حد عتبة محدد، وإلا لن يتم تحرير أي إلكتروناتٍ.

ثم جاء بعدها آينشتاين ليقول أن الضوء يتشكل من مجموعةٍ من الحزم التي تسمى فوتونات، والتي تشابه الإلكترونات في الذرات، وليس موجات كما ساد الاعتقاد سابقًا. بعد حوالي 16 عامًا، نشر آينشتاين أبحاثه تلك المتعلقة بظاهرة التأثير الكهروضوئي وتم منحه براءة اختراعٍ لنظريته هذه. وبدأ بعدها العلماء بدراسة هذه التأثيرات بمجموعةٍ من الدراسات المختلفة المتتالية، وبدأت التطبيقات المعتمدة على هذه الظاهرة بالانتشار يومًا بعد يوم.

هو الظاهرة التي يتم فيها تحرير جزيئات مشحونة كهربائيًّا من أو داخل مادة عندما تمتص الإشعاع الكهرومغناطيسي، وغالبًا ما يعرف هذه التأثير بعملية انبعاث الإلكترونات من المادة عند امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعّة السينية، ويطلق على الإلكترونات المنبعثة اسم الإلكترونات الضوئية.

عند تعريض سطح معدنيّ لإشعاعٍ كهرومغناطيسي نشط بما يكفي يتم امتصاص الضوء، وانبعاث الإلكترونات، ويختلف تردد العتبة بالنسبة لمختلف المواد؛ فيتمثل بالضوء المرئي بالنسبة للمعادن القلوية والضوء القريب من الأشعة فوق البنفسجية للمعادن الأخرى وهكذا.

لقد وجد آينشتاين أن زيادة كثافة الإشعاع يؤدي إلى تحرير عددٍ أكبر من الإلكترونات التي يحمل كل منها نفس متوسط الطاقة التي يحملها الفوتون، كما أن زيادة التردد (بدلًا من زيادة الإشعاع الساقط) من شأنه أن يزيد متوسط طاقة الإلكترونات المطلقة أيضًا، ويعتبر التأثير الكهروضوئي الدليل الأكثر إقناعًا على وجود الفوتونات في الطبيعة.

أوجد آينشتاين مجموعةً من المعادلات الخاصة بظاهرة التأثير الكهروضوئي والتي بنّدها في مجموعة أوراقه البحثية. بدايةً وجد آينشتاين أن طاقة الفوتون تساوي الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون مضافًا إليها الطاقة الحركية للإلكترون المنبعث.

h.v= W +E

وتعطى الطاقة الحركية للإلكترون بالعلاقة:

E= ½ mv²

بتطبيق نظرية آينشتاين في النسبية، والعلاقة بين الطاقة القوة الدافعة للجسميات، نصل إلى العلاقة التالية في التأثير الكهروضوئي وفق:

E = [(pc)² + (mc²)²]^(1/2)

حيث إنّ c هي سرعة الضوء في الفراغ، و p تمثل القوة الدافعة للجسميات.