[ramez hasan]

المفعول الكهرضوئي وعبقرية أينشتاين وهرتز

في عامل 1905، بزر شابٌ في السادسة والعشرين من عمره مفسراً توليد تيار كهربائي جرَّاء ورود ضوء بتواتر معين على سطح معدن، فقد رأى ألبرت أينشتاين في الكوانتوم خلاصاً لهذه المشكلة بما يُعرف باسم المفعول الكهرضوئي.
تعود الظاهرة إلى عام 1887 عندما لاحظ هنريش هرتز أثناء تجاربه على الأمواج الكهرطيسية، بأنَّ سقوط الأشعة فوق البنفسجية على أنبوب التفريغ الكهربائي يؤدي إلى التفريغ بسرعة أكبر. وقد تبين فيما بعد بأن سقوط أشعة بتواتر معين على معدن ما، يؤدي إلى انطلاق جسيمات مشحونة منه، وقد دُرست شحنة وكتلة هذه الجسيمات وتبين أنها الكترونات. وقد تبين فيما بعد أن الالكترونات تصدر عن سطوح المعادن عندما يسقط الضوء عليها، بشرط أن يكون تواتره عالٍ.
عند مجيء أينشتاين، استطاع تقديم التفسير بالاعتماد على فرضية الكم لبلانك، فافترض بأن كل كم من طاقة الأمواج الكهرطيسية يجب أن يساوي hv وقام بحذف العدد الصحيح من علاقة بلانك، كما قال بأنَّ الضوء نفسه ينتشر على شكل كمات منفصلة من الطاقة ندعوها الفوتونات.
وبالاعتماد على فرضية الفوتون، أصبح من الممكن تفسير المفعول الكهرضوئي ببساطة. فتدفق سيل من الفوتونات وحيدة اللون ذات التردد v واصطدامها بسطح معدن، يؤدي إلى تقديم الطاقة الكاملة لنزع الالكترونات من المعدن وإعطائها طاقة حركية معينة تسمح بمغادرتها لشبكته البلورية.
فعد ورود فوتون بتواتر v فإنه يقدم طاقته لأحد الكترونات المعدن، ويصرف جزءاً من هذه الطاقة وليكن W في نزع الإلكترون من شبكته البلورية في المعدن، ويصرف القسم الباقي في إعطاء الإلكترون طاقة حركية يستخدمها ليتحرك بعيداً. ويمكن التعبير عن ذلك بالعبارة التالية:
hv=W+1/2 mV^2=hv_0+T_max
وعند التأمل في الحدود السابقة نجد بأنَّ hv هو الطاقة التي يملكها الفوتون الوارد على سطح المعدن.. و (hv0) يمثل أخفض طاقة لازمة لانتزاع الإلكترون من سطح المعدن المضاء.
تعبر القيمة الأخيرة عن الطاقة الصغرى اللازمة لاقتلاع الإلكترون من مداره والتي ندعوها بتابع العمل، ولكل معدن تابع عمل خاص به. كما أنَّ لكل مدار الكتروني تابع عمل خاص به، وكلما اقترب الإلكترون من النواة كلما زادت قيمة الطاقة اللازمة لتحريره من مداره.
كان المفعول الكهرضوئي من أهم البراهين التي دفعت فرضية الكم إلى الأمام، وقد شكلت الطريقة التي فسر بها أينشتاين الضوء على أنه دفقات من الطاقة، حسماً في موضوع المنفصل. لقد بدا العالم مختلفاً عما كان المتصل يوره، بل إن العجز في التفسير كان لغياب الكوانتوم عن الفيزياء.
أصبحت الفكرة الجوهرية الآن هي أنَّ المكونات المادية للعالم هي عبارة عن مقادير منفصلة على شكل جسيمات أولية، والمكونات الطاقية أصبحت عبارة كمات منفصلة من الطاقات الصغيرة المنفصلة التي ندعوها الكوانتات أو الكم. وبحسب نظرية أينشتاين النسبية الخاصة، وبالتحديد تكافؤ الكتلة والطاقة فإنَّ المكونات المادية المتجسدة على شكل