التأثير الكهروضوئي
مِنْ Wikipedia، الموسوعة المجّانية.
إقفزْ إلى: الملاحة، بحث
إنّ التأثيرَ الكهروضوئيَ إشعاعُ الألكتروناتِ مِنْ المسألةِ على إمتصاصِ الإشعاعِ الكهرومغناطيسيِ، مثل الإشعاع الفوق البنفسجي أَو الأشعة السينيةِ. تعبير أقدم للتأثيرِ الكهروضوئيِ كَانَ تأثيرَ هيرتز، مع ذلك هذه العبارةِ سَقطتْ مِنْ الإستعمالِ الحاليِ [1]
محتويات [جلد]
مقدمة 1
تأريخ
2.1 ملاحظة مبكّرة
2.2 فجوة شرارةِ هيرتز
2.3 JJ تومسن: الألكترونات
2.4 طاقة تيسلا المتألقة
2.5 ملاحظة فون لينارد
2.6 آينشتاين: الضوء quanta
2.7 تأثير على سؤالِ جزيئةِ الموجةِ
3 تفسيرِ
3.1 معادلة
4 إستعمالاتِ وتأثيراتِ
4.1 Electroscopes
4.2 Photoelectron spectroscopy
4.3 مركبة فضائية
4.4 غبار قمرِ
5 يَرى أيضاً
6 صلاتِ وإشاراتِ خارجيةِ
المقدمة
التأثير الكهروضوئي. إشعاع أم القادم على اليسارِ يَقْذفُ الألكتروناتَ، صوّرَ كطَيَرَاْن إلى اليمين، مِنْ a مادة. على تَعْرِيض a السطح المعدني إلى الإشعاعِ الكهرومغناطيسيِ الذي فوق ترددِ العتبةَ (الذي معيّنُ إلى كُلّ نوع السطحِ والمادّةِ)، الفوتونات تَمتصُّ وتيارُ يُنتَجُ. لا ألكتروناتَ مَبْعُوثة للإشعاعِ مَع a تردد تحت تلك مِنْ العتبةِ، كالألكترونات غير قادرة على كَسْب الطاقةِ الكافيةِ للتَغَلُّب على المانعِ المستقرّ الكهربائيةِ قدّمَ بإنهاءِ السطحِ البلّوريِ (وظيفة عمل المادّةَ). بحمايةِ الطاقةِ، طاقة الفوتونِ مُنغَمِسةُ بالألكترونِ، وإذا نشيطِ بما فيه الكفاية، يُمْكِنُ أَنْ يَهْربَ مِنْ المادّةِ مَع a طاقة حركيّة محدودة. فوتون واحد يُمْكِنُ فقط أَنْ يُزيلُ ألكترونَ واحد. إنّ الألكتروناتَ التي مَبْعُوثة تُعيّنُ photoelectrons في أغلب الأحيان.
ساعدَ التأثيرُ الكهروضوئيُ ثنائيةُ جزيئةِ موجةِ أخرى، حيث أنظمة طبيعية (مثل الفوتوناتِ، في هذه الحالةِ) تَعْرضُ كلتا ملكيات شبه الموجة وشبه الجزيئة والسلوك , a مفهوم الذي كَانَ مستعمل من قبل صنَّاعِ ميكانيك الكمِ. التأثير الكهروضوئي وُضّحَ رياضياً مِن قِبل ألبرت آينشتاين، الذي مدّدَ العملَ على quanta طوّرَ مِن قِبل ماكس Planck.
التأريخ
الملاحظات المبكّرة
في 1839، لاحظَ أليكساندر إدموند Becquerel التأثير الكهروضوئي عن طريق قطب كهربائي في a حَلّ موصّل عرّضَ للإضَاْءة. في 1873, Willoughby سميث وَجدَ ذلك السلنوميِ photoconductive.
فجوات شرارةِ هيرتز
Heinrich هيرتز، في 1887, عَملَ ملاحظات من التأثيرِ الكهروضوئيِ والإنتاجِ وإستقبالِ كهرومغناطيسيِ (أم) موجات، نَشرَ في المجلّةِ Annalen دير Physik. مستلمه شَملَ a حلزون مَع a فجوة شرارةِ، عند ذلك a شرارة سَتُرى على كشفِ موجاتِ أم. وَضعَ الجهازَ في a صندوق مُظَلَّم لكي يَرى مراهنَ الشرارةَ؛ لاحظَ، على أية حال، الذي طول الشرارةِ الأقصى خُفّضَ عندما في الصندوقِ. A لجنة زجاجية وَضعتْ بين مصدرِ موجاتِ أم والمستلم إمتصّا إشعاع فوق البنفسجي الذي ساعدَ الألكتروناتَ في القفز عبر الفجوةِ. عندما أزالَ، طول الشرارةَ يَزِيدُ. هو ما لاحظَ أي نقصانِ في طولِ الشرارةِ عندما إستبدلَ كوارتزاً للزجاجِ، ككوارتز لا يَمتصُّ إشعاع فوق البنفسجي.
إستنتجَ هيرتز شهوره مِنْ التحقيقِ وأبلغَ عن النَتائِجِ حَصلَ عليه. هو لَمْ يُتابعْ تحقيقَ أبعد هذا التأثيرِ، ولم يَقُومُ بأيّ محاولة في تَوضيح كَمْ الظاهرة المُلاحَظة جُلِبتْ.
JJ تومسن: الألكترونات
في 1899، تَحرّى يوسف جون تومسن ضوءاً فوق البنفسجيَ في أنابيبِ Crookes. تَأثّرَ بعملِ كاتبِ جيمس ماكسويل وتومسن إستنتجا بأنّ أشعّة القطب السالبِ شَملتْ الجزيئاتِ المَشْحُونةِ سلبياً، لاحقاً مسمّاة الألكتروناتِ، التي دَعا "كريةَ دم". في البحثِ، تومسن أرفقَ a صحن معدني (a قطب سالب) في فراغ إنبوب، وعرّضَه إلى إشعاعِ التذبذب العالي. هو فُكّرَ بأنّ التَذَبذُب حقولِ كهرومغناطيسيةِ سبّبتْ حقلَ الذرّاتَ لرَنين، وبعد وُصُول a الغزارة المُتَأَكِّدة، مُسَبَّب a "كرية دم" ذرّية فرعية الّتي سَتُبْعَثُ، وتيار الّذي سَيُكتَشفُ. التيار وسرعة هذا التيارِ تَفاوتَ بالكثافةِ ولونِ الإشعاعِ. الزيادات الأكبر لكثافةِ الإشعاعَ أَو ترددَ الحقلِ يُنتجانِ تيارَ أكثرَ.
طاقة تيسلا المتألقة
في 1901 في نوفمبر/تشرين الثاني 5، إستلمَ نيقولا تيسلا براءة إختراع الولايات المتّحدةَ 685957 (جهاز لإستخدامِ الطاقةِ المتألقةِ) الذي يَصِفُ تَكليف الإشعاعِ وإطلاق قادة الفرق الموسيقيةِ مِن قِبل "طاقة متألقة". إستعملتْ تيسلا هذا التأثيرِ لشَحْن a مكثّف بالطاقةِ بواسطة a صحن موصّل. حدّدتْ براءةَ الإختراع بأنّ الإشعاعَ يَتضمّنُ العديد مِنْ الأشكالِ المختلفةِ.
ملاحظات فون لينارد
في 1902، فيليب فون لينارد لاحظتْ [2] الإختلاف في طاقةِ الألكترونِ بالترددِ الخفيفِ. إستعملَ a مصباح قوسِ كهربائيِ قويِ الذي مَكّنَه لتَحرّي التغييراتِ الكبيرةِ في الكثافةِ، وكَانَ عِنْدَهُ قوَّةُ كافيةُ لتَمْكينه لتَحرّي إختلافِ الإمكانيةِ بالترددِ الخفيفِ. قاستْ تجربتُه الإمكانياتَ مباشرة، لَيسَ طاقةَ ألكترونِ الحركيّةِ: وَجدَ طاقةَ الألكترونَ برَبْط بينه وإيقاف الإمكانيةِ القصوى (فولطية) في a phototube. وَجدَ الذي طاقةَ الألكترونِ المَحْسُوبِ الحركيّةِ الأقصى مُحدَّدةُ بترددِ الضوءِ. على سبيل المثال، زيادة في الترددِ تُؤدّي إلى زيادةِ في الطاقةِ الحركيّةِ القصوى حَسبتْ لألكترونِ على التحريرِ – إشعاع فوق البنفسجي يَتطلّبُ a إيقاف إمكانيةِ تطبيقيةِ أعلى لتَوَقُّف حاليةِ في a phototube مِنْ الضوءِ الأزرقِ. على أية حال نَتائِج لينارد كَانتْ نوعية بدلاً مِنْ كمّيةِ بسبب الصعوبةِ في إداء التجاربِ: إحتاجتْ التجاربُ لكي تُعْمَلَ على بشكل جديد معدنِ قطعِ لكي المعدن الصافي لوحظَ، لَكنَّه أكسدَ في العشراتِ مِنْ الدقائقِ حتى في الفراغاتِ الجزئيةِ إستعملَ. التيار بَعثَ بالسطحِ قُرّرَ بكثافةِ الضوءَ، أَو سطوع: ضاعفتْ مضاعفة كثافةِ الضوءِ عددَ الألكتروناتِ بَعثَ مِنْ السطحِ. لينارد لَمْ يَعْرفْ مِنْ الفوتوناتِ.
آينشتاين: الضوء quanta
وصف ألبرت آينشتاين الرياضي في 1905 كَمْ هو كَانَ سببه إمتصاصِ الذي كَانتْ لاحقاً مسمّى الفوتوناتِ، أَو quanta للضوءِ، في تفاعلِ الضوءِ بالألكتروناتِ في المادةِ، إحتوى في الورقةِ سَمّى "على a وجهة نظر إرشادية تَتعلّقُ بالإنتاجِ وتحويلِ الضوءِ. إقترحتْ هذه الورقةِ الوصفَ البسيطَ "ضوء quanta "(تالية مسمّاة "الفوتوناتِ" ) وشوّفتْ كَمْ هم يُمْكِنُ أَنْ يُستَعملونَ لتَوضيح مثل هذه الظواهرِ كالتأثير الكهروضوئي. التفسير البسيط مِن قِبل آينشتاين من ناحية إمتصاصِ أعزبِ quanta للضوءِ وضّحَ ميزّاتَ الظاهرةِ وساعدَ على تَوضيح الترددِ المميزِ. تفسير آينشتاين للتأثيرِ الكهروضوئيِ رَبحَه جائزة نوبلَ 1921.
فكرة quanta خفيفة كَانتْ مَدفوعة بقانونِ ماكس Planck المَنْشُور لإشعاعِ الجسمِ الأسودِ ("على قانونِ توزيعِ الطاقةِ في الطيفِ الطبيعيِ". Annalen دير Physik 4 (1901)) مِن قِبل على إفتراض أنَّ مُذَبذِبات Hertzian يُمْكِنُ أَنْ يَجدَ فقط في الطاقاتِ E نسبي إلى الترددِ f المُذَبذِبِ مِن قِبل E = hf، حيث أنَّ h Planck ثابت. آينشتاين، مِن قِبل على إفتراض أنَّ يضيئُ شَملَ رُزَمِ الطاقةِ المنفصلةِ في الحقيقة، كَتبَ معادلةً للتأثيرِ الكهروضوئيِ الذي تجاربِ لائقةِ. هذه كَانتْ قفزةً نظريةً هائلةً وحقيقةَ quanta الخفيف قووما بقوة. ناقضتْ فكرةُ quanta خفيفة نظرية موجةَ الضوءِ التي تَلتْ طبيعياً مِنْ جيمس الكاتب ماكسويل معادلات للسلوكِ الكهرومغناطيسيِ، وعموماً أكثر، فرضية divisibility لانهائية مِنْ الطاقةِ في الأنظمةِ الطبيعيةِ. حتى بعد التجاربِ شوّفتْ بأنّ معادلاتَ آينشتاين للتأثيرِ الكهروضوئيِ كَانتْ دقيق كان هناك مقاومةُ إلى فكرةِ الفوتوناتِ، منذ أن ظَهرَ لمُنَاقَضَة معادلاتِ ماكسويل، الذي يُعتقد بأنهم كَانَ مفهومة بشكل جيد جداً وحقّقَ حَسناً.
تَوقّعَ عملُ آينشتاين بأنَّ طاقة الألكتروناتِ المَقْذُوفةِ يَزِيدُ بشكل خطيّ بترددِ الضوءِ. ربما بِاندهاش، الذي ما كَانَ قَدْ رغم ذلك إختبرَ. في 1905 هو عُرِفَ بأنّ طاقةَ photoelectrons زادتْ بشكل متزايد مِنْ الضوءِ الساقطِ، لكن إسلوبَ الزيادةِ لَمْ يُصمّمْ على بشكل تجريبي أَنْ يَكُونَ خطيّ حتى 1915 عندما شوّفَ روبرت أندروز Millikan بأنّ آينشتاين كَانَ صحيحَ [3].
تأثير على سؤالِ جزيئةِ الموجةِ
ساعدَ التأثيرُ الكهروضوئي على دَفْع مفهومِ الظُهُور آنذاكِ مِنْ الطبيعةِ الثنائيةِ للضوءِ، ذلك الضوءِ يَعْرضُ خصائصَ الموجاتِ والجزيئاتِ في الأوقاتِ المختلفةِ. التأثير كَانَ مستحيلَ للفَهْم من ناحية وصفِ الموجةِ الكلاسيكيِ للضوءِ، كطاقة الألكتروناتِ المَبْعُوثةِ لَمْ تُعتمدْ على كثافةِ الإشعاعِ الساقطِ. تَوقّعتْ النظريةَ الكلاسيكيةَ بأنّ الألكتروناتَ يُمْكِنُ أَنْ ‘تُجمّعَ’ طاقةَ على a فترة زمنية، وبعد ذلك تَكُونُ مَبْعُوثةً. لهذا a نظرية كلاسيكية لعَمَل a حالة قَبْلَ محمّلة تَحتاجُ للإِسْتِمْرار في المسألةِ. فكرة الحالةِ قَبْلَ محمّلةِ نوقشتْ في ألكتروناتِ كتابِ Millikan (+ و-) وفي كومبتون وكتاب أليسون يُصوّرانِ بالأشعّة نظرياً وتجربة. هذه الأفكارِ تُرِكتْ.
التفسير
فوتونات الشعاعِ الخفيفِ لَها a طاقة مميزة أعطتْ بطولِ موجة الضوءِ. في عمليةِ photoemission، إذا يَمتصُّ الألكترونَ طاقةَ فوتونِ واحد ولَهُ طاقةُ أكثرُ مِنْ وظيفةِ العمل، هو مَقْذُوفُ مِنْ المادّةِ. إذا طاقةِ الفوتونَ واطئة جداً، على أية حال، الألكترون غير قادر على الهُرُوب من سطحَ المادّةِ. تَزِيدُ كثافةُ الشعاعِ الخفيفِ لا تُغيّرُ طاقةَ الفوتوناتِ التأسيسيةِ، فقط عددهم، وهكذا طاقة الألكتروناتِ المَبْعُوثةِ لا تَعتمدُ على كثافةِ الضوءِ القادمِ.
الألكترونات يُمْكِنُ أَنْ تَمتصَّ طاقةَ مِنْ الفوتوناتِ عندما أضأتْ، لَكنَّهم يَتْلونَ "ليس أقل من النجاح الكامل" مبدأ. كُلّ الطاقةِ مِنْ فوتونِ واحد يجب أنْ تُمتَصَّ وتُستَعملُ لتَحرير ألكترونِ واحد مِنْ التغليف الذرّيِ، أَو الطاقة مَبْعُوثةُ ثانيةً. إذا الفوتونِ مُنغَمِسُ، البعض مِنْ الطاقةِ تُستَعملُ لتَحريره مِنْ الذرّةِ، والبقية تُساهمُ في الألكترونِ حركيِّ (إنتقال) طاقة بينما a يُحرّرُ جزيئةً.
المعادلات
في تَحليل التأثيرِ الكهروضوئيِ يَستعملُ طريقةَ آينشتاين بشكل كمّي، المعادلات المكافئة التالية مستعملة:
طاقة الفوتونِ = إحتاجتْ طاقةَ لإزالة ألكترونَ + طاقة حركيّة مِنْ الألكترونِ المَبْعُوثِ
جبرياً:
إستعمال رموزِ الفيزياويين:
أين
h Planck ثابت؛
f ترددُ الفوتونِ الساقطِ؛
f 0 ترددُ العتبةَ للتأثيرِ الكهروضوئيِ للحَدَث؛
؟ وظيفةُ العمل، أَو تَطلّبتْ طاقةَ دنياَ لإزالة ألكترونَ مِنْ التغليف الذرّيِ، و
Ek الطاقةُ الحركيّةُ القصوى لاحظتْ.
المُلاحظة: إذا طاقةِ الفوتونَ (hf) لَيستْ أعظمَ مِنْ وظيفةِ العمل (φ، لا ألكترونَ سَيَبْعثُ. إنّ وظيفةَ العمل تُدْلُّ على أحياناً W.
عندما هذه المعادلةِ لَمْ تُلاحظْ لِكي تَكُونَ حقيقيةَ (تلك، الألكترون لَمْ يُبْعَثُ أَو هو لَهُ أقل مِنْ الطاقةِ الحركيّةِ المتوقّعةِ)، هو قَدْ لأن عندما يَعطي كميةَ فائضةَ مِنْ الطاقةِ إلى الجسمِ، بَعْض الطاقةِ مُنغَمِسةُ كحرارة أَو بَعثتْ كإشعاع، كما لا نظامَ كفوءُ جداً.
الإستعمالات والتأثيرات
الخلايا الشمسية (إستعملتْ في الطاقة الشمسيةِ) وتضيئُ ثنائيات حسّاسةَ تَستعملُ التأثيرَ الكهروضوئيَ. يَمتصّونَ الفوتوناتَ مِنْ الضوءِ ووَضعوا الطاقةَ إلى الألكتروناتِ، يَخْلقُ تيارَ كهربائيَ.
Electroscopes
Electroscopes على هيئة شوكةَ، تَمحورَ أوراقَ معدنيةَ وَضعتْ في فراغ جرّة، عرّضَ جزئياً إلى خارج البيئةِ. عندما electroscope مَشْحُونُ إيجابياً أَو سلبياً، الورقتان تَفْصلانِ، بينما تُوزّعُ تهمةَ بانتظام على طول الأوراقِ تُسبّبُ نفوراً بين مثل القطبين. عندما إشعاع فوق البنفسجي (أَو أيّ إشعاع فوق ترددِ العتبةِ) لمعة في المعدنيينِ خارج electroscope , a مجال مَشْحُون سلبياً سَيُفرغُ والأوراقُ سَتَنهارُ، بينما لا شيء سَيَحْدثُ إلى a شَحنتْ مجالَ إيجابياً (تَشْحنُ إنحطاطَ إضافةً إلى). إنّ السببَ بأنّ الألكتروناتِ سَتَكُونُ مُحرّرة مِنْ سلبياً واحد مَشْحُونةِ، يَجْعلُه محايدة بشكل تدريجي، بينما تُحرّرُ الألكتروناتَ مِنْ إيجابياً واحد مَشْحُونةِ سَتَجْعلُها إيجابية لدرجة أكبر، يَبقي الأوراقَ على حِدة.
Photoelectron spectroscopy
منذ طاقةِ photoelectrons الذي بَعثَ بالضبط طاقةُ الفوتونِ الساقطِ زائداً وظيفةِ عمل المادّةَ أَو الطاقةَ الملزمةَ، وظيفة عمل a عيّنة يُمْكِنُ أَنْ تُقرّرَ بقَصْفها مَع a مصدر اشعة سينيةِ أحادي اللونِ أَو مصدرِ UV (نموذجياً a مصباح إطلاقِ هليومِ)، ويَقِيسُ توزيعَ الطاقةِ الحركيِّ للألكتروناتِ بَعثَ.
هذا يجب أنْ يُعْمَلَ في a بيئة فراغِ عاليةِ، منذ الألكتروناتِ سَتُبعثرُ بِالطائرة.
A محلّل طاقةِ ألكترونِ مثاليِ a مُحلّل نصف كروي مركزي (CHA)، الذي يَستعملُ مجال كهربائي لتَحويل كمياتِ الألكتروناتِ المختلفةِ تَعتمدُ على طاقاتِهم الحركيّةِ. لكُلّ عنصر ويَحْفرُ مداري ذرّي سيكون هناك a طاقة ملزمة مختلفة. العديد مِنْ الألكتروناتِ خَلقتْ مِنْ كُلّ بعد ذلك سَتُظهرُ كمسامير في المحلّلِ، ويمكن أن تُستَعملَ لتَقْرير التركيبِ العنصريِ للعيّنةِ. [4]
المركبة الفضائية
التأثير الكهروضوئي سَيُسبّبُ مركبة فضائيةَ تَعرّضتْ لضوء الشمس لتَطوير a تهمة إيجابية. هذه يُمْكِنُ أَنْ تَحْصلَ على ما يقارب العشراتَ مِنْ الفولتاتِ. هذا يُمكنُ أَنْ يَكُونَ a مشكلة رئيسية، كأجزاء أخرى مِنْ المركبة الفضائيةِ في الظِلِّ تُطوّرُ a تهمة سلبية (إلى عِدّة كيلوفولت) مِنْ البلازما القريبِ، وعدم التوازن يُمْكِنُ أَنْ يُفرغَ خلال المكوّناتِ الكهربائيةِ الحسّاسةِ. إنّ التهمةَ الساكنةَ خَلقتْ بالتأثيرِ الكهروضوئيِ تَحديد ذاتيُ، مع ذلك، لأن a جسم مَشْحُون جداً يَتخلّى أكثر عن ألكتروناتَه أقل بسهولة [5]
غبار قمرِ
الضوء مِنْ الشمسِ يَضْربُ غباراً قمرياً يُسبّبُه أَنْ يُصبحَ مَشْحُون خلال التأثيرِ الكهروضوئيِ. الغبار المَشْحُون ثمّ يَصْدُّ نفسه ويُقلعُ سطحَ القمرِ بالإرتفاعِ المستقرّ الكهربائيةِ. هذا يُظهرُ نفسه يَحْبُّ تقريباً "جوّ الغبارِ"، مرئي بينما a يُخفّفُ سديماً وتَشويه الميزّاتِ البعيدةِ، ومرئي بينما a يُعتّمُ وهجاً بَعْدَ أَنْ وَضعتْ الشمسَ. هذا صُوّرَ أولاً مِن قِبل المسّاحِ القمريِ في الستّيناتِ. هو يُفكّرُ بأنّ الجزيئاتَ الأصغرَ مَصْدُودة إلى بإرتفاع كيلومترات، والتي تَتحرّكُ الجزيئاتَ في "النافوراتِ" كما يَشْحنونَ ويُفرغونَ.
.gif "sez45"){kind=icon}
.gif "sez74"){kind=icon}
