إخفاق الفيزياء الكلاسيكية فى تفسير ظاهرة التأثير الكهروضوئي

– في هذا الموضوع سيتم مناقشة إخفاق الفيزياء الكلاسيكية فى تفسير ظاهرة التأثير الكهروضوئي. وكيف كانت هذا الأخفاق واحد من أهم الاسباب فى ظهور ما يعرف بكيمياء الكم.

– كان الاعتقاد السائد عند بعض الفيزيائيين فى القرن التاسع عشر بأن التركيب النظري للفيزياء الكلاسيكية هي العلم الذي نما قبل 1900. ويتضمن ميكانيكا نيوتن الكلاسيكية ونظرية ماكسويل فى الكهربائية والمغناطيسية والأشعة الكهرومغناطيسية والديناميكا الحرارية ونظرية الحركية للغازات.

– ثم بعد ذلك أصبح العلم متكاملاً وبمقدوره إعطاء التفسير عن الظواهر الملحوظة ولكن فى الربع الأخير من هذا القرن، ظهرت نتائج عملية لم تتمكن نظريات الفيزياء الكلاسيكية من تفسيرها.

– وهذه النتائج العملية كانت تتعلق بظواهر ذرية وجزيئية. وقد حدا هذا الأمر آنذاك الباحثين إلى صياغة نظرية جديدة بإمكانها إعطاء تفسير مقبول منسجم مع النتائج العملية. هذه النظرية تسمي بنظرية الكم Quantum theory.

– أخفقت الفيزياء الكلاسيكية فى تفسير المسائل المتعلقة بالظواهر الذرية والجزيئية وهي تتضمن كما يلي:

(1) اشعاع الجسم الأسود.

(2) التأثير الكهروضوئي. 

(3) الخطوط الطيفية الذرية.

– في الموضوعات السابقة تم مناقشة ظاهرة إشعاع الجسم الأسود، و الخطوط الطيفية الذرية. ولكن فى هذا الدرس سوف نتكلم فقط عن ظاهرة التأثير الكهروضوئي ، وإخفاق الفيزياء الكلاسيكية فى تفسيرها.

تعريف ظاهرة التأثير الكهروضوئي 

– إن أول شخص أدرك قيمة فكرة بلانك هو ألبرت أينشتاين الذي استخدام مفهوم التكمم الطاقي energy of quantization لأشعة الكهرومغناطيسية لتفسير النتائج العملية فى ظاهرة التأثير الكهروضوئي.

– كما أن التأثير الكهروضوئي يحدث عند تسلط أشعة كهرومغناطيسية – أي ضوء – على سطح مؤدية إلى انبعاث إلكترونات من المعدن فالإلكترونات تمتص طاقة من الضوء وبذلك تكتسب طاقة كافية لمغادرة المعدن.

– وقد بينت نتائج لينارد Lenard العملية كما يلي: 

(1) الإلكترونات تنبعث عندما يكون تردد الضوء الساقط يتجاوز حداً أدني من التردد ₀υ بتردد العتبة Threshold frequency. وأن قيمة ₀υ تختلف من معدن لآخر وهي تقع ضمن المنطقة فوق البنفسجية لمعظم المعادن.

(2) زيادة شدة الضوء الساقط سيزيد من عدد الإلكترونات المنبعثة ولكنها لا تؤثر فى الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة.

(3) زيادة تردد الضوء الساقط سيزيد الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة.

– كما أن ملاحظات لينارد على التأثير الكهروضوئي لا يمكن فهمهما باستخدام الصورة الكلاسيكية للضوء التى تعتبره على أساس أنه موجة wave.

– ووجد أن الطاقة فى موجة تتناسب مع شدتها Intensity ولا تعتمد على ترددها وبذلك نتوقع ازدياد الطاقة الحركية للإلكترونات المنبعثة كلما زادت شدة الضوء ولا تعتمد على تردد الضوء.

– علاوة على ذلك فالصورة الموجية للضوء تتوقع حدوث التأثير الكهروضوئي عند أى تردد بشرط أن يكون الضوء الساقط بدرجة كافية من الشدة.

تفسير أينشتاين لظاهرة التأثير الكهروضوئي

– قد اقترح أينشتاين إلى جانب كون الضوء يمتلك خواصاً موجية فانه أيضا يمكن أن يؤخذ على أساس أنه متكون من كيانات جسيمية أى كمات quanta. 

– كما أن كل كم من الضوء له طاقة υλ ، هذه الكيانات تدعي فوتونات photons.

– علاوة على ذلك فإن الطاقة فى الضوء هي مجموع طاقات الفوتونات المنفردة وبذلك فهي مكماة quantized.

– ويحدث التأثير الكهروضوئي عندما يرتطم فوتون لاكترون في المعدن.

– هذا الفوتون سيختفي وإن طاقته υλ ستنتقل إلى الإلكترون بحيث إن جزءاً من هذه الطاقة تمتصها الإلكترونات لاستخدامها فى التخلص من القوي التى تربطه بالمعدن. 

– والطاقة الإضافية المتبقية تظهر بشكل طاقة حركية يحملها الإلكترون المنبعث. وحسب قانون حفظ الطاقة عندئذ نكتب كما يلي: