الظاهرة الكهروضوئية – كمّات الضوء (الفوتونات)

ماذا تعرض

تبيّن الظاهرة الكهروضوئية أن الضوء ينقل الطاقة في حزم تسمى الفوتونات. يحمل كل فوتون طاقة E = hf = hc/λ، ولا يستطيع تحرير إلكترون إلا إذا كانت هذه الطاقة مساوية لدالة الشغل φ للفلز على الأقل. والطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المتحررة هي Ek(max) = hf − φ، فهي تعتمد على تردد الضوء لا على شدته. ودون تردد العتبة f₀ = φ/h، أي فوق الطول الموجي الحرج λ₀ = hc/φ، لا يتحرر أي إلكترون مهما كانت شدة الضوء، وهذا ما لا يستطيع النموذج الموجي الكلاسيكي تفسيره.

طريقة الاستخدام

اختر «فلز المهبط»، ثم حرّك «الطول الموجي للضوء» ببطء من الأحمر نحو فوق البنفسجي، ولاحظ عنده أول ظهور للإلكترونات، وقارنه بقيمة λ₀ في سطر القراءات. بعد ذلك ثبّت الطول الموجي وغيّر «شدة الضوء»، ولاحظ هل يتغير عدد الإلكترونات أم طاقتها. وأخيرًا كرّر التجربة بفلز آخر وقارن خطي Ek(max) مقابل التردد: الميل نفسه، والتقاطع مع محور التردد مختلف.

المعاملات القابلة للتغيير

• فلز المهبط السيزيوم (φ = 2.14 eV), الصوديوم (φ = 2.28 eV), الخارصين (φ = 4.30 eV), النحاس (φ = 4.70 eV)
• الطول الموجي للضوء 150–700 nm
• شدة الضوء 10–100 %

أسئلة للاستكشاف

1. لماذا لا تؤدي زيادة شدة الضوء الأحمر إلى تحرير أي إلكترون من الصوديوم؟
2. عند تغيير الفلز، أي خاصية في منحنى Ek(max)–التردد تتغير وأيها تبقى ثابتة؟
3. إذا كانت دالة الشغل للخارصين 4.30 eV، فما طوله الموجي الحرج، وهل تتفق المحاكاة مع ذلك؟