تقرير عن التاثير الكهروضوئي

التأثير الكهروضوئي
في عام 1887, 1886 وبينما كان يجري تجاربه التي أكدت نظرية
ماكسويل الخاصة بالطبيعة الموجية للضوء، اكتشف الفيزيائي الألماني هينرك
ultraviolet light أن الأشعة الضوئية الفوق بنفسجية Heinrich Hertz هيرتز
الإلكترونات من سطح معدن بالإشعاع يسمى emission ( تسبب انطلاق (انبعاث
بالتأثير الكهروضوئي.
وطبقاً لقوانين الفيزياء التقليدية، فإن الإشعاع الكهرومغناطيسي عبارة عن
مجال كهربي يتذبذب عمودياً على اتجاه انبعاث الإشعاع (هنا أهملنا المجال
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- ١٢ -
intensity of the المغناطيسي). والذي نريد أن نركز عليه هنا أن شدة الأشعة
تتناسب مع مربع سعة المجال الكهربي. radiation
The intensity of the radiation is proportioned to the square of the
amplitude of the .oscillating electric field.
ويمكن للالكترونات التي على سطح المعدن أن تتذبذب مع المجال
الكهربي الساقط عليها، وكلما ازدادت شدته (سعته) تزداد سعة تذبذب
الإلكترونات كثيراً مما يؤدي في النهاية إلى كسر ارتباطها بالسطح وانطلاقها
والتي ستعتمد على سعة (شدة) المجال الكهربي kinetic energy بطاقة حركية
للإشعاع الساقط. إن هذا التفسير الفيزيائي (التقليدي) يتعارض تماماً مع
المشاهدات الفيزيائية لهذه الظاهرة والتي تمثلت في:
-1 وجد أن الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة من السطح لا تعتمد على شدة
.independent of the intensity of incidental الانبعاث
-2 وجد تجريبياً أن الإلكترونات لا تنبعث من السطح إلا إذا كان تردد الإشعاع
بغض النظر عن شدة الإشعاع سنسمي هذا n ° الساقط أكبر من تردد معين
تعتمد على نوع المعدن. n ° وقيمة threshold frequency بعتبة التردد n ° التردد
n وكذلك وجد أن الطاقة الحركية للالكترونات المنبعثة تتناسب خطياً مع التردد
.1- كما هو موضح في شكل 4 n ° أكبر من n وذلك إذا كانت
1: تغير قيم الطاقة الحركية للإلكترونات مع التردد. - شكل 4
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- ١٣ -
FIGURE 1.4 The kinetic energy of electrons ejected from the surface of
sodium metal versus the frequency of the incident ultraviolet radiation. The
threshold frequency here is 4.40 × 1014 Hz (1 Hz = 1 s-1)
ولتفسير هذه النتائج، طور العالم اينشتاين فرضية بلانك من تكميم الطاقة.
وهنا نذكر أن بلانك طبق مفهوم تكميم الطاقة فقط على المتذبذب الذي يمتص
أما إذا ما انبعث ( E= nhn فإنه يملك طاقة n أو يبعث الطاقة (فإذا مصدر تردده
الإشعاع من هذا المتذبذب فإنه يسلك (كما اقترح بلانك) كموجة عادية تخضع
للمفاهيم الفيزيائية التقليدية. أما العالم اينشتاين فقد ذهب إلى ما هو أبعد من هذا،
فقال إن التكميم لا ينطبق فقط على المتذبذب بل إن الإشعاع المنبعث منه ينبعث
كمات من الطاقة ( أو حزم من الطاقة) منفصلة عن بعضها وطاقة كل كم
عليه. photon وأطلق اسم الفوتون E=hn
Einstein proposed that the radiation itself existed as smell
packers of energy, E = hn , now known as photons.
وضح اينشتاين ،Conservation of energy وبناءاً على مبدأ حفظ الطاقة
mv أن الطاقة الحركية 2
2
m التي ينبعث بها الإلكترون ذو الكتلة ) K.E= 1
من سطح المعدن عبارة عن الفرق بين الطاقة الساقطة للفوتون (v والسرعة
W وأقل طاقة لازمة لنزع الإلكترون (وتحريره) من طاقة ربطة بالمعدن hn
.Work function ) والتي تسمى دالة الشغل o/ (ويرمز لها أحياناً ب
ويمكننا صياغة ما سبق ذكره بالمعادلة التالية:
mv hv φ (1-5)
2
K.E= 1 2 = -
لاحظ أن قيمة 2
2
لا يمكن أن يكون hν - φ 1 موجبة وعليه فالفرق mc
هي الطاقة اللازمة لتحرير hn إن اقل قيمة ل .hν ³ φ سالب. أي أنه
أي أن: n ° الإلكترون من ربط النواة وهذا يحدث عن عتبة التردد
hν = φ (1-6) °
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- ١٤ -
1) على الصورة. - ويمكننا كتابة معادلة ( 5
(1-7) ° mc =hv - hv
2
1 2
وهو تماماً ما يشاهد (y = mx-c وهذه معادلة خط مستقيم (على الصورة
.1- من النتائج التجريبية الموضحة في شكل 5
Figure 1-5. Photoelectric effect data showing a plot of retarding
potential necessary to stop electron flow from a metal (lithium), or
equivalently, electron kinetic energy, as a function of frequency of the
incident light, the slope of the line is h/e.
وقبل أن ننتقل لموضوع آخر، من المهم أن نوضح الوحدات المستخدمة في
وهذه وحدة ،eV عادة تعطي بوحدة الإلكترون فولت f المعادلة. بالنسبة ل
فمن المهم أن m/s طاقة، ولحساب (مثلاً) سرعة الإلكترون المنبعث بوحدة
يعرف الطالب كيف يقوم بعملية التحويل بطريقة صحيحة.
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- ١٥ -
أولاً: من تعريف الإلكترون فولت
(1 coulomb) (1 volt) = 1 Joule
والشحنة الأولية للبروتون تساوي
1.6 عندئذ ´10-19C والشحنة الأولية للبروتون تساوي
1.6 10 J
1eV (1.6 10 C) (1V)
19
19
-
-
= ´
= ´ ترمز للجول ) J )
n° 1.82 ، احسب عتبة التردد en مثال 2: دالة الشغل للصوديوم تساوي
للصوديوم؟
إلى جول: eV من f الحل: أولاً: يلزم تحويل
φ=1.82eV
)
eV
= (1.82eV)(1.6´10-19 J
= 2.92´10-19 J
n ° يمكننا حساب [hν° =φ] (1- ومن معادلة ( 6
(6.63 10 J.S)
(2.92 10 J)
h
ν φ 3
19
-
-
° ´
´
= =
2
14 4.40 1014
5
=4.40´10 1 = ´ H
5 ec ترمز للهرتز وهو Hz حيث
1
: مثال 3
3500 تسقط على سطح بوتاسيوم. Å أشعة فوق بنفسجية طولها الموجي
.1.6 eV أقصى طاقة للإلكترونات الضوئية تساوي
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- ١٦ -
احسب دالة الشغل للبوتاسيوم؟
الحل:
(1- من معادلة ( 5
K.E = hν - ο/
\φ = hν - k.E
hν نحسب أولاً قيمة
(3500 10 m)
(6.63 10 J.s) (3 10 m/s)
λ
hν hc 10
34 8
-
-
´
´ ´
= =
ولتحويل هذه القيمة من الجول للإلكترون فولت
\φ =3.eV-1.6eV=1.95eV
مثال: عند تعرض سطح مادة الليثيوم للإشعاع، فإن الطاقة الحركية للإلكترونات
.λ =300.0nm 2.935 وذلك إذا كانت ´10-19 J المنبعثة
1.28´10-19 J فإن الطاقة الحركية تساوي l إما إذا كانت =
ثابت بلانك؟ (a) احسب
عتبة التردد؟ (b)
الشغل؟ (c)
1) في حالة الطول الموجي الأول والطول الموجي - الحل: من معادلة ( 5
الثاني نتحصل على (
λ
1
λ
(K.E) (K.E) h (ν ν ) hc ( 1
1 2
1 2 1 2 - = - = -
: بالتعويض ú
û
ù
êë
é
´
-
´
´ - ´ = ´ - -
- -
400 10 m
1
3 10 m
2.935 10 J 1.280 10 J h (3 10 m/s) 1 9 9
19 19 8
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
- ١٧ -
6.625 10 J.S
2.498 10 s
h 1.655 10 J 34
14 1
19
-
- = ´
´
´
\
λ =300 nm ( لحساب عتبة التردد، نأخذ الطول الموجي (مثلاً (b)
° \ = hv - hv
- °
- -
´
\ ´ = hv
300 10 m
2.935 10 J hc 9
19
v° نجد أن قيمة c,h وبالتعويض عن قيم
v =5.564´1014 Hz °
f = hv° ٢) دالة الشغل تحسب مباشرة من العلاقة )
=3.687´10-19 J
2.30/eV
eV
1.6 10 J
3.687 10 J
19
19

شكرا على مرورك

وشكرا ... ايضا ...لك