تويت
كهرباييه ضوييه Photoelectricity - Photoélectricité
الكهربائية الضوئية
تُولد بعض المكونات أو الأجهزة تياراً كهربائياً يمر بها أو فرق كمون على طرفيها نتيجة تعريضها لإشعاع ضوئي، والكهربائية الضوئية photoelectricity هي توليد الكهرباء بفعل الضوء.
تاريخياً، لوحظت الكهربائية الضوئية عن طريق صدور إلكترونات من بعض المعادن نتيجة تعريضها لإشعاع ضوئي (الإصدار الكهربائي الضوئي). وقد سمح هذا الإصدار بتأكيد الطبيعة الجسيمية للضوء (الفوتون) وحث على وضع مبدأ الازدواجية بين الموجة wave والجسيم particle لمكونات المادة والذي هو أساس الميكانيك الموجي wave mechanics أو ميكانيك الكم[ر] quantum mechanics، وقد مُنح أينشتاين جائزة نوبل نتيجة أعماله التي كان من ضمنها الكهربائية الضوئية وتفسيره لها على أساس امتصاص الضوء على شكل جسيمات منفصلة تدعى الفوتونات photons.
ترتبط الكهربائية الضوئية على المستوى الجسيمي بالتآثر بين الفوتون والإلكترون الحر الموجود في معدن مثلاً. ويمكن أن تنتقل طاقة الفوتونات الواردة بنتيجة هذا التآثر إلى الإلكترونات مما يؤدي إما إلى انتزاعها من المعدن (الإصدار الكهرضوئي)، وفي هذه الحالة تكون الإلكترونات الصادرة قريبة من السطح، وإما أن يؤدي التآثر إلى خلق أزواج من حاملات شحنة حرة في حجم أنصاف النواقل من دون أن تتحرر حاملات الشحنة هذه من المادة فيمر تيار في نصف الناقل إذا طبق فرق كمون بين طرفيه.
سمحت الكهربائية الضوئية - بالاعتماد على أنصاف النواقل - بتصنيع محسات ضوئية موثوقة، ذات أبعاد صغيرة يمكن استخدامها في تطبيقات صناعية وبحثية متنوعة، وفيما يأتي بعض منها:
الخلية الكهربائية الضوئية
تتكون الخلية الكهربائية الضوئية photocell[ر. الخلية الكهرضوئية] من غلاف شفاف داخله مخلّى من الهواء، ومن مهبط cathode غير ساخن ذي سطح كبير مكون من مادة حساسة ضوئياً، ومن مصعد anode محمول إلى كمون كهربائي موجب نسبةً إلى المهبط.
يسقط الضوء من خلال الغلاف الشفاف على المهبط ويؤدي إلى إصدار إلكترونات منه تنجذب بفعل فرق الكمون المطبق إلى المصعد وتسهم في توليد تيار كهربائي مصعدي. وتتعلق شدة التيار المصعدي بشدة الضوء الساقط، وبلونه، وبفرق الكمون المطبق بين المصعد والمهبط.
إذا كان الضوء وحيد اللون فإن شدة التيار المصعدي تتناسب مع شدة الضوء الواردة، وبالتالي مع عدد الفوتونات الواردة في واحدة الزمن التي تصدم المهبط. وتفسير ذلك بسيط؛ فكلما زاد عدد الفوتونات الواردة في واحدة الزمن زاد عدد الإلكترونات المنتزعة في الواحدة ذاتها وبالتالي زاد التيار المصعدي.
لا تتحسس الخلية الكهربائية الضوئية إلا بتواترات ضوئية أكبر من حد معين. تتعلق قيمة هذا التواتر بطبيعة المادة الحساسة ضوئياً المكونة للمهبط. ويُفسر ذلك بأن الإلكترون بحاجة إلى طاقة W لانتزاعه من مادة المهبط، وبالتالي فإن الطاقة التي يحصل عليها الإلكترون من الفوتون يجب أن تكون أكبر أو تساوي عمل الانتزاع W. أي إن طاقة الفوتون يجب أن تكون أكبر من W، وبما أن عبارة طاقة الفوتون بدلالة تواتره f هي h.f حيث h ثابت بلانك، فإن تواتر الفوتون يجب أن يكون أكبر من تواتر معين يدعى تواتر العتبة fth ويعطى بالعلاقة W=h.fth. غالباً ما يُستخدم طول الموجة الضوئية λ بدلاً من التواتر الضوئي، ونظراً للعلاقة بين التواتر وطول الموجة ، حيث c سرعة الضوء في الخلاء، وبالتعبير عن طول الموجة بواحدة النانومتر وعن عمل الانتزاع بالإلكترون فلط فإن العلاقة التي تعبر عن طول موجة العتبة هي:
من أجل مادة السيزيوم cesium على سبيل المثال: W=1.9eV وبالتالي λth= 650nm (ضوء أحمر).
في حال كون تواتر الضوء الساقط على المهبط أكبر من تواتر العتبة، أو طول موجته أصغر من طول موجة العتبة، فإن الفرق بين طاقة الفوتون وعمل الانتزاع يتحول جزئياً إلى طاقة حركية يكتسبها الإلكترون فينطلق بسرعة v وعندها يكون ، حيث m كتلة الإلكترون.
ينعدم التيار الكهربائي إذا طبّق فرق كمون سالب U0=VA-VK، والذي تزداد قيمته مع تواتر الضوء الوارد f؛ وذلك بسبب السرعة الابتدائية التي تكتسبها الإلكترونات المنتزعة من المهبط والتي تزداد بازدياد التواتر f.
المضاعف الضوئي photomultiplier
ليست الخلايا الكهربائية الضوئية حساسة بالقدر الكافي لكشف الشدات الضوئية الضعيفة؛ ويعود ذلك إلى ضعف التيار الناتج من عدد قليل من الإلكترونات المنتزعة. ويمكن مضاعفة عدد تلك الإلكترونات عن طريق الإصدار الثانوي. إذا طلي سطح المصعد بخليطة من الفضة والمغنزيوم فإن الإلكترون الوارد بطاقة حركية كبيرة يمكن أن يصدر إلكترونات ثانوية عدة، يدعى المسرى المطلي بالمسرى الثانوي dynode. تسرَّع الإلكترونات في حقول كهربائية نحو مسارٍ ثانوية متتالية يُصدر كل منها إلكترونات عدة من أجل إلكترون وارد. يدعى الجهاز الموصوف بالمضاعف الضوئي وهو محس عالي الحساسية يتكون من مهبط حساس للضوء، ومن مسارٍ ثانوية عدة، تعمل على الإصدار الثانوي، ومن مصعد. إذا تضمن المضاعف الضوئي عشرة مسارٍ ثانوية فإن مضاعفة الإشارة يمكن أن تبلغ 910.
تستخدم المضاعفات الضوئية لقياس شدات ضوئية ضعيفة جداً أو لدراسة الإشعاعات النووية. ويستخدم الضوء في نقل المعطيات ومعالجتها باستخدام تجهيزات الإلكترونيات الضوئية[ر] مثل الديودات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها
إياد السيد درويش
الكهربائية الضوئية
تُولد بعض المكونات أو الأجهزة تياراً كهربائياً يمر بها أو فرق كمون على طرفيها نتيجة تعريضها لإشعاع ضوئي، والكهربائية الضوئية photoelectricity هي توليد الكهرباء بفعل الضوء.
تاريخياً، لوحظت الكهربائية الضوئية عن طريق صدور إلكترونات من بعض المعادن نتيجة تعريضها لإشعاع ضوئي (الإصدار الكهربائي الضوئي). وقد سمح هذا الإصدار بتأكيد الطبيعة الجسيمية للضوء (الفوتون) وحث على وضع مبدأ الازدواجية بين الموجة wave والجسيم particle لمكونات المادة والذي هو أساس الميكانيك الموجي wave mechanics أو ميكانيك الكم[ر] quantum mechanics، وقد مُنح أينشتاين جائزة نوبل نتيجة أعماله التي كان من ضمنها الكهربائية الضوئية وتفسيره لها على أساس امتصاص الضوء على شكل جسيمات منفصلة تدعى الفوتونات photons.
ترتبط الكهربائية الضوئية على المستوى الجسيمي بالتآثر بين الفوتون والإلكترون الحر الموجود في معدن مثلاً. ويمكن أن تنتقل طاقة الفوتونات الواردة بنتيجة هذا التآثر إلى الإلكترونات مما يؤدي إما إلى انتزاعها من المعدن (الإصدار الكهرضوئي)، وفي هذه الحالة تكون الإلكترونات الصادرة قريبة من السطح، وإما أن يؤدي التآثر إلى خلق أزواج من حاملات شحنة حرة في حجم أنصاف النواقل من دون أن تتحرر حاملات الشحنة هذه من المادة فيمر تيار في نصف الناقل إذا طبق فرق كمون بين طرفيه.
سمحت الكهربائية الضوئية - بالاعتماد على أنصاف النواقل - بتصنيع محسات ضوئية موثوقة، ذات أبعاد صغيرة يمكن استخدامها في تطبيقات صناعية وبحثية متنوعة، وفيما يأتي بعض منها:
الخلية الكهربائية الضوئية
تتكون الخلية الكهربائية الضوئية photocell[ر. الخلية الكهرضوئية] من غلاف شفاف داخله مخلّى من الهواء، ومن مهبط cathode غير ساخن ذي سطح كبير مكون من مادة حساسة ضوئياً، ومن مصعد anode محمول إلى كمون كهربائي موجب نسبةً إلى المهبط.
يسقط الضوء من خلال الغلاف الشفاف على المهبط ويؤدي إلى إصدار إلكترونات منه تنجذب بفعل فرق الكمون المطبق إلى المصعد وتسهم في توليد تيار كهربائي مصعدي. وتتعلق شدة التيار المصعدي بشدة الضوء الساقط، وبلونه، وبفرق الكمون المطبق بين المصعد والمهبط.
إذا كان الضوء وحيد اللون فإن شدة التيار المصعدي تتناسب مع شدة الضوء الواردة، وبالتالي مع عدد الفوتونات الواردة في واحدة الزمن التي تصدم المهبط. وتفسير ذلك بسيط؛ فكلما زاد عدد الفوتونات الواردة في واحدة الزمن زاد عدد الإلكترونات المنتزعة في الواحدة ذاتها وبالتالي زاد التيار المصعدي.
لا تتحسس الخلية الكهربائية الضوئية إلا بتواترات ضوئية أكبر من حد معين. تتعلق قيمة هذا التواتر بطبيعة المادة الحساسة ضوئياً المكونة للمهبط. ويُفسر ذلك بأن الإلكترون بحاجة إلى طاقة W لانتزاعه من مادة المهبط، وبالتالي فإن الطاقة التي يحصل عليها الإلكترون من الفوتون يجب أن تكون أكبر أو تساوي عمل الانتزاع W. أي إن طاقة الفوتون يجب أن تكون أكبر من W، وبما أن عبارة طاقة الفوتون بدلالة تواتره f هي h.f حيث h ثابت بلانك، فإن تواتر الفوتون يجب أن يكون أكبر من تواتر معين يدعى تواتر العتبة fth ويعطى بالعلاقة W=h.fth. غالباً ما يُستخدم طول الموجة الضوئية λ بدلاً من التواتر الضوئي، ونظراً للعلاقة بين التواتر وطول الموجة ، حيث c سرعة الضوء في الخلاء، وبالتعبير عن طول الموجة بواحدة النانومتر وعن عمل الانتزاع بالإلكترون فلط فإن العلاقة التي تعبر عن طول موجة العتبة هي:
من أجل مادة السيزيوم cesium على سبيل المثال: W=1.9eV وبالتالي λth= 650nm (ضوء أحمر).
في حال كون تواتر الضوء الساقط على المهبط أكبر من تواتر العتبة، أو طول موجته أصغر من طول موجة العتبة، فإن الفرق بين طاقة الفوتون وعمل الانتزاع يتحول جزئياً إلى طاقة حركية يكتسبها الإلكترون فينطلق بسرعة v وعندها يكون ، حيث m كتلة الإلكترون.
ينعدم التيار الكهربائي إذا طبّق فرق كمون سالب U0=VA-VK، والذي تزداد قيمته مع تواتر الضوء الوارد f؛ وذلك بسبب السرعة الابتدائية التي تكتسبها الإلكترونات المنتزعة من المهبط والتي تزداد بازدياد التواتر f.
المضاعف الضوئي photomultiplier
ليست الخلايا الكهربائية الضوئية حساسة بالقدر الكافي لكشف الشدات الضوئية الضعيفة؛ ويعود ذلك إلى ضعف التيار الناتج من عدد قليل من الإلكترونات المنتزعة. ويمكن مضاعفة عدد تلك الإلكترونات عن طريق الإصدار الثانوي. إذا طلي سطح المصعد بخليطة من الفضة والمغنزيوم فإن الإلكترون الوارد بطاقة حركية كبيرة يمكن أن يصدر إلكترونات ثانوية عدة، يدعى المسرى المطلي بالمسرى الثانوي dynode. تسرَّع الإلكترونات في حقول كهربائية نحو مسارٍ ثانوية متتالية يُصدر كل منها إلكترونات عدة من أجل إلكترون وارد. يدعى الجهاز الموصوف بالمضاعف الضوئي وهو محس عالي الحساسية يتكون من مهبط حساس للضوء، ومن مسارٍ ثانوية عدة، تعمل على الإصدار الثانوي، ومن مصعد. إذا تضمن المضاعف الضوئي عشرة مسارٍ ثانوية فإن مضاعفة الإشارة يمكن أن تبلغ 910.
تستخدم المضاعفات الضوئية لقياس شدات ضوئية ضعيفة جداً أو لدراسة الإشعاعات النووية. ويستخدم الضوء في نقل المعطيات ومعالجتها باستخدام تجهيزات الإلكترونيات الضوئية[ر] مثل الديودات الضوئية والألياف الضوئية وغيرها
إياد السيد درويش