تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تعريف المفعول الكهروضوئي

هو تفاعلٌ مُتبادل بين الكهرباء والضوء، فمن شأن الضوء تحرير الشحنات السالبة (الإلكترونات) من سطح المعدن إذا عُرِّض هذا المعدن لحزمةٍ ضوئية مُعينة، بمعنى إذا وجهنا حزمةً ضوئيةً على سطح معدنٍ ما، فإنَّ هذهِ الحزمة الضوئية تُحرر الإلكترونات من هذا المعدن. ^[1]

اكتشاف المفعول الكهروضوئي

أوَّل من اكتشفه العالم هيرتز في عام 1887، وذلك صدفةً عندما كان يحوِّل طاقة الأمواج الكهرطيسية إلى تيارٍ كهربائي مهتزٍّ في دارةٍ لاقطة يضعها مقابل الدارة المهتزة المرسلة، فعندما كانت تحدث الشرارة بين ملمعي الدارة المرسلة، كانت تحدث شرارة مماثلة بين ملمعي الدارة اللاقطة، ولكن لاحظ هرتز حدوث شرارةٍ بسهولة وبسرعة أكبر بسقوط الضوء فوق البنفسجي الصادر عن ملمعي الدارة المرسلة مباشرةً على ملمعي الدارة اللاقطة، وقال أنَّ الضوء فوق البنفسجي هو المسؤول عن هذا التحوّل.

بعدَ هيرتز جاء العالم هلاواكس فأخذ صفيحةً من التوتياء، وعزلها كهربائياً، ووصلها بمقياس الإلكتروسكوب، وسلّط عليها الضوء فوق البنفسجي، فوجد أنَّ هذا السطح قد شحن بشحنةٍ موجبة، أي تحررت شحنات سالبة من هذهِ الصفيحة. ثم جاء العالم ستولتو، فصمم دارةً يستطيع بها إنشاء المفعول الكهروضوئي، تتكوَّن هذهِ الدارة من قطبين أحدهما سطح من معدن التوتياء موصول بقطبٍ سالب للمدخرة يمثل المهبط (Cathode).

أمّا المصعد (Anode)، فهو مؤلَّف من شبكة معدنية وُصلت بمقياس غلفانوميتر، فعندما وجه حزمةً من الأشعة فوق البنفسجية إلى صفيحة التوتياء عبر الشبكة المعدنية، لاحظ أنَّ الغلفانوميتر يُشير إلى مرور التيار في الدارة، بذلك استنتج أنَّ المفعول الكهروضوئي (Photoelectric Effect) قد حدث نتيجةً لتسليط الأشعة فوق البنفسجية، فكان من شأنه تحرير الشحنات السالبة التي مرت إلى المصعد ومر التيار.

ولكن عجز العالم ستولتو عن تفسير آليّة انتقال الشحنات السالبة من المهبط إلى المصعد. علل العالم لينارد هذهِ الآلية بأنَّه عندما تسقط الحزمة الضوئية على الصفيحة تُحرر بسقوطها الإلكترونات من ذرات هذهِ الصفيحة، وتنجذب الإلكترونات السالبة نحو المصعد، ومن هنا ينشأ التيار الكهروضوئي. ^[2]

 تفسير آينشتاين للمفعول الكهروضوئي

في عام 1905 وجدَ آينشتاين أنَّه من الممكن تفسير حدوث ظاهرة المفعول الكهروضوئي اعتماداً على المفهوم الذي افترضه العالم بلانك في نظرية الكم من أن الطاقة المرافقة للإشعاعات المنبعثة تكون على شكل دفقات متقطعة حتى وصولها إلى السطح الماص، وبذلك تمتص ذرات الجسم الماص الطاقة على شكل دفقات.

ولكن آينشتاين أدخل تعميماً جديداً على نظرية الكم، وهي أنَّ كل دفقة من دفقات الطاقة تساوي hv وليس عدداً صحيحاً منها nhv، وأطلق على دفقات الطاقة هذهِ اسم الفوتونات، فكانت الفوتونات بنظرهِ هي دفقات طاقة تسير بسرعة الضوء، كتلتها السكونية معدومة. تمكَّن آينشتاين من تعليل المفعول الكهروضوئي بالاعتماد على نظرية الفوتونات.

فقال بأنَّ الحزمة الضوئية الساقطة على الصفيحة المعدنية هي عبارة عن حزمة من الفوتونات، وإنَّ اصطدام الفوتون بالذرة يؤدي إلى تحرر أحد إلكتروناتها بشرط أن تكون طاقة الفوتون أكبر من طاقة الارتباط بين الإلكترون والذرة ∅، وعبَّر آينشتاين عن هذه الطاقة بالعلاقة التالية: (E= ∅+T). حيثُ T الطاقة الحركية للإلكترونات الضوئية، وعليهِ فإنَّ السرعة التي تكتسبها الإلكترونات المتحررة من الطبقات السطحية للذرة تكون أكبر من سرعة الإلكترونات المنتزعة من الطبقات الداخلية.

أمَّا إذا كانت طاقة الفوتون أصغر من طاقة ارتباط الإلكترون بالمعدن، فإنَّ الذرة تمتصه دون أن يؤدي هذا إلى تُحرر أحد إلكتروناتها، ولا يسجل عندها أي تيار كهروضوئي، وهذا ما يعلل عدم تحسس صفيحة التوتياء مثلاً: للضوء المرئي لأنَّ فوتونات هذا الضوء غير قادة على نزع الإلكترونات من ذرات التوتياء. ^[3]

كيف يحدث المفعول الكهروضوئي؟

عندما يسقط الضوء على لوحٍ معدني، فإنَّ الفوتونات الضوئية تصطدم بالإلكترونات الحرّة الموجودة داخل اللوح، فتنطلق هذهِ الإلكترونات خارج اللوح، حيثُ تُسمى الإلكترونات المنبعثة من سطح المعدن بالإلكترونات الضوئية، علماً أنَّه ليس كل ضوء يسقط على المعدن يقوم بنزع الإلكترونات منه، وإنَّما يحتاج الفوتون للتغلب إلى طاقة ارتباط الإلكترون بالذرة ليستطيع تحرير الإلكترونات، وبما أنَّ لكل فوتون تردد معين يتناسب مع طاقته، لذا فإنه يحتاج لتردّدٍ معين يُسمى (تردد العتبة)، وهو التردد الضوئي اللازم لانتزاع الإلكترونات.

وتردد العتبة هذا يختلف من معدنٍ لآخر، وذلك كون طاقة ارتباط الإلكترونات تختلف باختلاف طبيعة المادة، فعندَ تسليط ضوء تردده أقل من تردد عتبة المعدن لن تنطلق أيَّة إلكترونات لعدم وجود طاقةٍ كافية لتحريرها، وعندما تصطدم الفوتونات بسطح المعدن، فإنَّ طاقة الفوتون تنتقل إلى الإلكترون على شكل طاقةٍ تجعله يتحرر من سطح المعدن، إضافةً لطاقةٍ حركية تجعله ينطلق على شكل تيار كهروضوئي، وإنَّ أقل مقدار لطاقة الفوتون اللازمة لتحرير الإلكترون من سطح المعدن يُسمى (تابع العمل)، ويساوي ثابت بلانك مضروباً بتردد العتبة للمادة.

لذا فإنَّ الضوء الساقط لن يحرِّك الإلكترون إلّا إذا كانت طاقته أكبر من تابع العمل، ومن المعروف أنَّ زيادة شدة الضوء لا تسبّب زيادةً في الطاقة، وليس لها علاقة بانتزاع الإلكترونات أساساً، وإنَّما زيادة الشدة تزيد من عدد الفوتونات الضوئية الساقطة. ولمّا كان كل إلكترون يصطدم بفوتونٍ واحد فقط، ويخرج منه، لذا فإنَّ زيادة عدد الفوتونات تزيد من عدد الإلكترونات المتحررة، مما يسبّب زيادة في شدة التيار الكهروضوئي الناتج. ^[3]

خواص المفعول الكهروضوئي

يتميَّز بعددٍ من الخواص، هي: ^{[2] [3] [4]}

1- عندما نوجِّه حزمةً ضوئيةً على سطح المعدن، فإنَّها تحرر إلكتروناته (فوتو إلكترونات).

2- المفعول الكهروضوئي له علاقة بطبيعة المادة وبطول موجة الضوء الساقط، فقد وجدَ بأنَّ المعادن التي تتأثَّر بالضوء المرئي تتأثَّر أيضاً بالضوء فوق البنفسجي، ولكن العكس غير صحيح، فكلما كان المعدن أكثر قلوية كان الحصول على المفعول الكهروضوئي أسهل.

3- ليس هنالك تأخر زمني بين سقوط الأشعة على السطح وصدور الإلكترونات الكهروضوئية.

4- إنَّ الإلكترونات المتحررة كهروضوئياً لا تمتلك سرعةً واحدة، بل هنالك توزِّع للسرعات وفقاً لطاقة الفوتون.

5- يعتمد عدد الإلكترونات المنبعثة من سطح المهبط على شدة الضوء الساقط، أي تكون شدة التيار متناسبةً مع شدة الإضاءة، بمعنى آخر تزداد شدة التيار المار في دارة الخلية الكهروضوئية بزيادة شدة الضوء الساقط.

6- تتحقق الظاهرة الكهروضوئية إذا كان تردد الموجات الساقطة أكبر من تردّدٍ معين يُسمى تردد العتبة، وتزداد القيمة العظمى لطاقة حركة الإلكترونات المنبعثة من سطح الفلز بزيادة تردد الضوء الساقط.

7- يحدث المفعول الكهروضوئي بمجرد سقوط الحزمة الضوئية ذات التردد المناسب على سطح الكاثود مهما كانت شدة هذهِ الموجات ضعيفة، بمعنى أن تحقق الظاهرة لا يحتاج إلى تخزين طاقة.

الخلية الكهروضوئية

تتكون الخلية الكهروضوئية (Photocell) من غلافٍ شفافٍ مُخلّى من الهواء، ومن مهبط  غير ساخن ذي سطح كبير مكوَّن من مادةٍ حساسةٍ ضوئياً، ومن مصعد محمول إلى كمونٍ كهربائي موجب نسبةً إلى المهبط،  يسقط الضوء من خلال الغلاف الشفاف على المهبط، ويؤدي إلى إصدار إلكترونات منه، فتنجذب بفعل فرق الكمون المطبق إلى المصعد، وتُسهم في توليد تيارٍ كهربائي ناتج عن المصعد، وتتعلَّق شدة هذا التيار بشدة الضوء الساقط، وبتردده، وبفرق الكمون المطبق بين قطبي الخلية الكهروضوئية.

إذا كان الضوء وحيد اللون، فإنَّ شدة التيار الناتج عن المصعد تتناسب مع شدة الضوء الواردة، وبالتالي مع عدد الفوتونات الواردة في واحدة الزمن التي تصطدم بالمهبط، ويمكننا تفسيَر ذلك بكون شدة التيار الناتجة عن الخلية الكهروضوئية تتناسب طرداً مع عدد الإلكترونات المنتزعة في واحدة الزمن.

لا تتحسس الخلية الضوئية إلّا بتواتراتٍ ضوئية أكبر من حدٍّ معين، تتعلَّق قيمة هذا التواتر بطبيعة المادة الحساسة ضوئياً والمكوِّنة للمهبط، أي إنَّ تواتر الفوتون يجب أن يكون أكبر من تواتر معين يدعى تواتر العتبة. ينعدم التيار الكهربائي إذا طبّق فرق كمون سالب، والذي تزداد قيمته مع تواتر الضوء الوارد؛ وذلك بسبب السرعة الابتدائية التي تكتسبها الإلكترونات المنتزعة من المهبط، والتي تزداد بازدياد التواتر. ^{[3] [4]}