نبذة تعريفية عن ظاهرة “الأثر الكهروضوئي” وتجارب العالم لينارد حولها
2011 مكتبة الفيزياء أسس فيزياء الكمّ
إدوارد ويليت
مؤسسة الكويت للتقدم العلمي
ظاهرة الأثر الكهروضوئي العالم لينارد الفيزياء
إن ألبرت أينشتاين، الذي كان يعمل موظفاً في مكتب التراخيص، قد قام بحل مشكلة في العام 1905، تلك المشكلة التي تمثلت في عجز الفيزياء عن تفسير تفاصيل ظاهرة يُطلق عليها اسم "الأثر الكهروضوئي".
أدرك الفيزيائيون منذ سنوات عديدة أن المعادن تطلق الإلكترونات تحت ظروف محددة تتمثل في إسقاط الضوء على هذه المعادن.
ولم تبدُ هذه الظاهرة المعروفة باسم "الأثر الكهروضوئي" مثيرة للدهشة في حد ذاتها؛ لأن الضوء يمثل أحد أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية.
وطبقاً للفيزياء التقليدية كان ذلك يعني إمكانية انتقال جزء من هذه الطاقة إلى الإلكترونات الموجودة في المعدن.
(لابدّ أنكم تذكرون أن الإلكترونات كانت قد اكتُشفت حديثاً على يد جوزيف جون طومسون)، كما أن انتقال الطاقة يتيح للإلكترونات إمكانية الحركة بسرعة أكبر إلى الحد الذي يجعلها تستطيع الإفلات كلياً من المعدن.
ومن هذا المنطلق أصبح بالإمكان تحديد عدد الإلكترونات المنبعثة عن طريق قياس التيار الكهربائي الذي يسري عبر سلك موصول بالمعدن، بالإضافة إلى إمكانية قياس كمية الطاقة الحركية التي تحملها الإلكترونات عن طريق القوة (على شكل شحنة كهربائية مطبقة على المعدن) اللازمة لوقف تلك الإلكترونات عن الحركة.
تجارب لينارد الكهروضوئية
في العام 1902 اكتشف فيزيائي ألماني يدعى فيليب لينارد (1862-1947) العديد من الخواص المهمة التي يمتاز بها الأثر الكهروضوئي كان أولها اكتشافه أنه كلما زادت شدة الضوء الوارد زاد عدد الإلكترونات المحررة.
وكانت تلك الملاحظة منطقية، وعلى سبيل المثال عندما ترتطم أمواج البحر الكبيرة والقوية بالشاطئ فإنها تزيح كمية من الرمال تفوق تلك التي تزيحها الأمواج الصغيرة الأقل شدة.
لكن اكتشاف لينارد الثاني لم يحمل أي معنى على الإطلاق في عالم الفيزياء التقليدية، إذ اكتشف أن الطاقة الحركية الموجودة داخل كل إلكترون من الإلكترونات المحررة لم تزداد مع ازدياد شدة الضوء، وبالنسبة لأمواج الشاطئ كانت كمية الرمال المزاحة كبيرة، لكنها لم تعتمد على شدة الأمواج القوية أو ضعفها.
بعبارة أخرى، رغم أن الموجة الضوئية تحمل كمية أكبر من الطاقة، لم يتم استخدام أي جزء من هذه الطاقة لتسريع حركة الإلكترونات، والطاقة حسب قوانين الديناميكا الحرارية لا يمكن أن تُستحدَث أو تفنى؛ إذن أين ذهبت تلك الطاقة الزائدة؟
اكتشف لينارد بعد ذلك أمراً آخر. مع أن زيادة شدة الضوء لم تؤدِ إلى زيادة القدرة الحركية للإلكترونات المحررة، إلا أن زيادة تردد الضوء استطاع القيام بذلك.
بدا الوضع كما لو أن أمواج صغيرة سريعة الحركة استطاعت إزاحة الرمل من الشاطئ بشدة أكثر من الموجات العملاقة ذات الحركة البطيئة، وهو ما لم يحدث في الواقع.
والحقيقة هي أنه تحت تردد محدد لا يمكن إزاحة أي إلكترونات من المعدن مهما كانت شدة الضوء، وعلى عكس ذلك فقد انزاحت الإلكترونات عن المعدن فوق درجة تردد محددة بصرف النظر عن مدى ضعف الضوء المُطبّق.
ولقد تطلبت المعادن المختلفة ترددات ضوئية مختلفة أيضاً من أجل ظهور الأثر الكهروضوئي ، فالضوء الأخضر، وهي ضوء ذو تردد منخفض، يمكن أن يحرر الإلكترونات من معدن الصوديوم، وكي نحصل على الإلكترونات من النحاس أو الألمنيوم نحتاج إلى ضوء فوق بنفسجي ذي تردد عالٍ.
معادلة لينارد
أنتجت بحوث (لينارد) حول الأثر الكهروضوئي هذه المعادلة الأساسية:
.jpg)
يرمز الحرف (m) في هذه المعادلة إلى كتلة الإلكترون المحرَّر، ويرمز (v) إلى سرعة هذا الإلكترون و.jpg)
.
الصيغة المعيارية المستخدمة لحساب الطاقة الحركية، و(v) تردد الموجة الضوئية، و(h) "ثابت بلانك".jpg)
أما (K) فهو العدد الذي يختلف من معدنٍ إلى آخر.
