فيزياء

تفسير أينشتاين للتأثير الكهروضوئي


في عام 1905 ، اقترح أينشتاين نظرية جديدة للضوء ، باستخدام التأثير الكهروضوئي لإثبات ما إذا كانت أفكاره صحيحة بالفعل.

في البداية ، قصر بلانك مفهوم تقدير كمية الطاقة على الإلكترونات الموجودة في جدران الجسم الأسود فقط. بالنسبة له ، بينما كان يشع الطاقة ، انتشر عبر الفضاء ، تمامًا كما تنتشر الأمواج في الماء. اقترح أينشتاين ، بدوره ، أن يتم تقدير كمية الطاقة في عبوات مركّزة يمكن تسميتها لاحقًا الفوتونات.

ركز أينشتاين انتباهه على الشكل المجسم الذي ينبعث منه الضوء ويمتصه ، وليس على شكل الموجة أثناء انتشاره. وقال إن متطلبات بلانك أن تكون طاقة الموجات الكهرومغناطيسية المنبعثة من مصدر ما مضاعفة HF يعني ذلك من خلال الانتقال من حالة طاقة nhf إلى دولة كانت طاقتها (ن -1)، المصدر سوف ينبعث منها نبض منفصل من الإشعاع الكهرومغناطيسي مع HF.

افترض في البداية أن حزمة الطاقة هذه ستكون موجودة في مساحة صغيرة وستبقى موجودة هناك لأنها ابتعدت عن المصدر بسرعة c ، سرعة الضوء.

ترتبط الطاقة E للحزمة ، أو بالأحرى بالفوتون ، بالتردد f وفقًا للمعادلة:

في التأثير الكهروضوئي ، يتم امتصاص الفوتون بالكامل بواسطة الإلكترون في الكاثود الضوئي. وبالتالي ، عندما تُنبعث من السطح المعدني ، تُعطى الطاقة الحركية للإلكترون بواسطة:

حيث:

hf = طاقة الفوتون الممتصة للحادث ؛

ث = العمل المطلوب لإزالة الإلكترون من المعدن.

يتم ربط بعض الإلكترونات بقوة أكبر من غيرها ، بحيث في حالة أضعف رابطة وعدم وجود فقدان داخلي ، سوف تظهر الكهروضوئية مع الطاقة الحركية القصوى ، Kماكس. على النحو التالي:

حيث تمثل w0 ، الطاقة المميزة للمعدن ، والتي تسمى وظيفة العمل ، الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة للإلكترون لعبور سطح المعدن والهروب من القوى الجذابة التي تربطه بالمعادن.

منذ كماكس= فولت0، يمكننا إعادة كتابة معادلة التأثير الكهروضوئي على النحو التالي:

الاعتراض على أن Kماكس اعتمادًا على شدة الإضاءة ، تتفق نظرية الفوتون تمامًا مع النتائج التي تم الحصول عليها تجريبيًا: مضاعفة شدة الضوء ببساطة يضاعف عدد الفوتونات ، وبالتالي يضاعف شدة التيار الكهربائي ، لكن هذا لا يغير طاقة hf لكل فوتون. .

بالنسبة لوجود عتبة تردد ، يتم التخلص من هذه الفكرة بسهولة عندما تكون الطاقة الحركية القصوى صفراً:

وهذا يعني أن فوتون من التردد و0 لديها بالضبط الطاقة اللازمة لإخراج الإلكتروضوئية وبالتالي لا الطاقة الحركية الزائدة.

يفسر غياب التأخير حقيقة أن الطاقة المطلوبة يتم توفيرها في عبوات مركزة. وبالتالي ، خلافًا للاعتقاد السائد ، لا ينتشر بشكل متساوٍ في مساحة كبيرة ، لأنه إذا كان هناك ضوء ساطع على الكاثود ، فسيكون هناك فوتون واحد على الأقل لضربه ، سيتم امتصاصه فورًا بواسطة بعض الذرة. وسوف يسبب الانبعاث الفوري للفوتون.

أخيرًا ، يوضح نموذج أينشتاين أن فوتون التردد f له الطاقة hf فقط وليس مضاعفات hf. ومع ذلك ، فمن الواضح أننا إذا كنا نتعامل مع فوتونات n بتردد f ، فستكون الطاقة عند هذا التردد nhf.



فيديو: معادلة أينشتاين في التأثير الكهروضوئي Photoelectric Effect (شهر اكتوبر 2021).