الظاهرة الكهروضوئية – فيزياء السادس

💡 ما هي الظاهرة الكهروضوئية؟ (Photoelectric Effect)

الظاهرة الكهروضوئية هي ظاهرة فيزيائية يتم فيها انبعاث إلكترونات من سطح معدن عند سقوط ضوء عليه. تعرف هذه الإلكترونات باسم الإلكترونات الكهروضوئية.

⚙️ شرح الظاهرة الكهروضوئية

عندما يسقط ضوء ذو تردد كافٍ على سطح معدن معين، تمتص الإلكترونات طاقة الفوتونات. فإذا كانت الطاقة كافية لتجاوز ما يسمى بـ دالة الشغل (Work Function)، فإن الإلكترونات تنبعث من سطح المعدن.

تعتمد الظاهرة على أن الضوء يتكون من فوتونات، كل فوتون يحمل طاقة:

$$E = h \cdot f$$

• $E$: طاقة الفوتون
• $h$: ثابت بلانك $6.63 \times 10^{-34}$ جول·ثانية
• $f$: تردد الضوء

🔍 شروط حدوث الظاهرة الكهروضوئية

• يجب أن يكون تردد الضوء $f$ أكبر من التردد الحدي $f_0$ للمعدن.
• إذا $f < f_0$ فإن الظاهرة لا تحدث مهما زادت شدة الضوء.
• طاقة الإلكترون المنبعث تعطى بالعلاقة:

$$K.E = h f – W$$

• $K.E$: طاقة حركة الإلكترون المنبعث
• $W$: دالة الشغل للمعدن (الحد الأدنى لتحرير الإلكترون)

🧪 تجربة الظاهرة الكهروضوئية

تُجرى التجربة باستخدام:

• مصدر ضوء يمكن تغيير تردده
• لوح معدني (كاثود) ينبعث منه الإلكترون
• أنود لجمع الإلكترونات
• دائرة كهربائية لقياس التيار الناتج

📌 أهم نتائج الظاهرة الكهروضوئية

• لا يحدث انبعاث إلكتروني إذا كان تردد الضوء أقل من التردد الحدي.
• لا يوجد تأخير زمني بين سقوط الضوء وانبعاث الإلكترون.
• طاقة الإلكترونات تعتمد على تردد الضوء وليس شدته.
• زيادة الشدة تزيد عدد الإلكترونات فقط.

🧠 تفسير أينشتاين للظاهرة

فسر أينشتاين الظاهرة الكهروضوئية على أساس أن:

• الضوء يتكون من فوتونات (كمات طاقة).
• كل فوتون يملك طاقة معينة.
• الإلكترون يمتص فوتونًا واحدًا فقط.

وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء 1921 بفضل هذا التفسير الثوري.

🛰️ تطبيقات الظاهرة الكهروضوئية

• الخلايا الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية.
• أجهزة الاستشعار الضوئي والتحكم الآلي.
• أنظمة الأمان والإنذار وكشف الحركة.
• أنظمة الاتصالات الليزرية.

📚 لماذا تُعد الظاهرة الكهروضوئية مهمة؟

• أثبتت أن للضوء طبيعة جسيمية إلى جانب طبيعته الموجية.
• كانت نقطة انطلاق مهمة نحو تطور ميكانيكا الكم.
• ساعدت في تطوير تكنولوجيا الطاقة والتصوير والاتصالات.

⚡ التيار الكهروضوئي (Photoelectric Current)

✅ ما هو التيار الكهروضوئي؟

التيار الكهروضوئي هو التيار الكهربائي الناتج عن حركة الإلكترونات المنبعثة من سطح معدن عند تعرضه لضوء ذي تردد مناسب.
يحدث هذا التيار بسبب انتقال الإلكترونات من الكاثود (اللوح المعدني) إلى الأنود داخل خلية كهروضوئية.

⚙️ كيف يتولد التيار الكهروضوئي؟

عند سقوط الضوء على معدن معين:

1. يمتص الإلكترون طاقة الفوتون.
2. إذا كانت طاقة الفوتون أكبر من دالة الشغل للمعدن، ينفصل الإلكترون عن السطح.
3. يتم جذب الإلكترونات المنبعثة نحو الأنود.
4. تتحرك الإلكترونات في دائرة كهربائية خارجية، مكوّنة تيارًا كهربائيًا يسمى التيار الكهروضوئي.

🔢 العوامل التي تؤثر في التيار الكهروضوئي

1. شدة الضوء

• كلما زادت شدة الضوء الساقط، زاد عدد الفوتونات الساقطة.
• وبالتالي يزداد عدد الإلكترونات المنبعثة، مما يزيد التيار الكهروضوئي.

2. جهد الإيقاف (V₀)

• هو الجهد السالب الذي يجب تطبيقه على الأنود لإيقاف الإلكترونات المنبعثة.
• عند تطبيق جهد إيقاف كافٍ، يتوقف التيار الكهروضوئي تمامًا.

3. تردد الضوء

• يؤثر في طاقة الإلكترونات، وليس في كمية التيار بشكل مباشر.
• تردد أعلى يعني طاقة حركة أكبر للإلكترونات، لكن لا يغير عددها.

📈 علاقة التيار الكهروضوئي بالشدة والتردد

• التيار ∝ الشدة: العلاقة طردية بين شدة الضوء والتيار الناتج.
• التيار لا يعتمد على التردد: طالما أن التردد أكبر من التردد الحدي، فإن زيادته لا تؤثر على شدة التيار بل على طاقة الإلكترونات.

🔍 ملاحظات مهمة عن التيار الكهروضوئي

• يحدث التيار بشكل فوري عند سقوط الضوء.
• يمكن إيقاف التيار تمامًا بزيادة الجهد العكسي.
• لا يتأثر التيار بزيادة التردد إذا كانت شدة الضوء ثابتة.

🛰️ تطبيقات التيار الكهروضوئي

• الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء من ضوء الشمس.
• أجهزة كشف الحركة التي تعتمد على الضوء.
• حساسات الضوء في الكاميرات وأنظمة الأمان.
• عدادات الضوء وأجهزة القياس الضوئي في المختبرات.

⚡ ما هو تيار الإشباع في الظاهرة الكهروضوئية؟

✅ تعريف تيار الإشباع (Saturation Current)

تيار الإشباع هو أقصى تيار كهروضوئي يمكن الحصول عليه عندما تصبح جميع الإلكترونات المنبعثة من سطح المعدن تصل إلى الأنود، بغض النظر عن زيادة الجهد الكهربائي بين الكاثود والأنود.

بمعنى آخر:
هو الحد الأقصى للتيار الكهروضوئي الذي لا يمكن زيادته حتى لو قمنا بزيادة الجهد الموجب المطبق.

⚙️ كيف يحدث تيار الإشباع؟

1. عند تسليط ضوء على سطح معدن في خلية كهروضوئية، تنبعث إلكترونات.
2. يتم جذب الإلكترونات بواسطة جهد موجب على الأنود.
3. في البداية، زيادة الجهد تزيد عدد الإلكترونات المجمعة وبالتالي يزداد التيار.
4. عند نقطة معينة، يتم تجميع كل الإلكترونات المنبعثة، فلا يبقى إلكترون دون أن يُجمع.
5. هنا يصل التيار إلى حده الأقصى، وهو تيار الإشباع.

📈 العوامل المؤثرة في تيار الإشباع

1. شدة الضوء

• تيار الإشباع يزداد بزيادة شدة الضوء.
• لأن الشدة الأكبر تعني عددًا أكبر من الفوتونات، وبالتالي عددًا أكبر من الإلكترونات المنبعثة.

2. نوع المعدن

• يحدد عدد الإلكترونات الممكن انبعاثها.
• معادن مختلفة لها دالات شغل مختلفة تؤثر على عدد الإلكترونات المنبعثة.

3. تردد الضوء

• لا يؤثر مباشرة على تيار الإشباع، لكن يؤثر على طاقة حركة الإلكترونات.

📌 ملاحظات حول تيار الإشباع

• عند تيار الإشباع، تكون الزيادة في الجهد غير فعالة في زيادة التيار.
• يمثل الحد الأعلى للتيار الكهروضوئي في التجربة.
• يُستخدم تيار الإشباع لحساب عدد الإلكترونات المنبعثة.

🧪 تمثيل تيار الإشباع بيانيًا

إذا رسمنا علاقة بين التيار الكهروضوئي والجهد الكهربائي:

• نلاحظ أن التيار يزداد مع الجهد في البداية.
• ثم يستقر عند قيمة ثابتة، وهي تيار الإشباع.
• هذه النقطة تمثل أن كل الإلكترونات المنبعثة قد وصلت للأنود.

🛰️ أهمية تيار الإشباع

• يستخدم لقياس عدد الإلكترونات المنبعثة بدقة.
• يساعد على تحليل خصائص الضوء الساقط والمعدن المستخدم.
• يُعد دليلاً عمليًا على أن الظاهرة الكهروضوئية كمّية وليست موجية فقط.

❓السؤال:

ماذا يحصل عند زيادة المضاعفة فوق تيار الإشباع؟

✅ الحل:

عند زيادة الجهد الكهربائي الموجب بعد وصول التيار الكهروضوئي إلى تيار الإشباع، لا يحدث أي تغير في مقدار التيار.
وذلك لأن جميع الإلكترونات المنبعثة من سطح المعدن قد وصلت بالفعل إلى الأنود، وبالتالي لا يمكن سحب إلكترونات إضافية مهما زاد الجهد.

بمعنى آخر:

تبقى قيمة التيار الكهروضوئي ثابتة، ولا تزداد، لأن النظام قد وصل إلى تيار الإشباع.

❓السؤال:

ماذا يحصل عند عكس الأقطاب؟

✅ الحل:

عند عكس الأقطاب في الدائرة الكهروضوئية، يصبح الأنود سالبًا والكاثود موجبًا، مما يخلق ما يُعرف بـ الجهد العكسي.
هذا الجهد يعاكس حركة الإلكترونات المنبعثة من الكاثود.

• إذا كان الجهد العكسي صغيرًا:
  تستمر بعض الإلكترونات في الوصول إلى الأنود، لكن التيار يقل.
• إذا زاد الجهد العكسي إلى قيمة معينة تُسمى جهد الإيقاف:
  يتوقف التيار الكهروضوئي تمامًا، لأن الإلكترونات لن تتمكن من الوصول إلى الأنود.

الخلاصة: عكس الأقطاب يقلل التيار تدريجيًا، ويؤدي إلى انعدامه عند الوصول إلى جهد الإيقاف.