ما هي الإلكترونات الضوئية؟

ما هي الإلكترونات الضوئية؟

تعريف الإلكترونات الضوئية

يُعرف الإلكترون الضوئي بأنه إلكترون يُطرد من مادة عندما تمتص طاقة ضوء. هذا العملية تسمى التأثير الكهروضوئي وتوفر دليلاً أساسياً على الطبيعة الكمية للضوء والمادة. سشرح هذا المقال ما هي الإلكترونات الضوئية وكيف يتم إنتاجها والعوامل المؤثرة في طردها وتطبيقاتها في العلوم والتكنولوجيا.

التأثير الكهروضوئي

التأثير الكهروضوئي هو العملية التي يتم فيها طرد الإلكترونات من مادة عندما تتعرض لضوء بتردد أو طاقة كافية. يمكن أن تكون المادة معدنية أو شبه موصلة أو أي مادة تحتوي على إلكترونات سطحية حرة أو غير مرتبطة بشكل قوي. يمكن أن يكون الضوء مرئياً أو فوق بنفسجياً أو أشعة إكس، اعتماداً على دالة العمل للمادة.

تُعرَف دالة العمل بأنها الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزاحة إلكترون من سطح المادة. تُقاس بوحدة الفولت الإلكتروني (eV)، وهي الوحدة التي تمثل الطاقة التي يكتسبها الإلكترون عند تحركه عبر فرق جهد واحد فولت. تتغير دالة العمل بنوع المادة وحالتها، وتتراوح عادة بين 2 إلى 6 eV للمعادن.

عندما يضرب الضوء بتردد f أو طول موجة λ سطح المادة، يحمل كل فوتون (أو كمية ضوء) طاقة E تعطى بالمعادلة:

E=hf=λhc

حيث h هي ثابت بلانك (6.626 x 10^-34 J s)، وc هي سرعة الضوء (3 x 10^8 m/s). إذا كانت طاقة الفوتون E أكبر من أو تساوي دالة العمل W للمادة، فإن الفوتون يمكنه نقل طاقته إلى إلكترون على السطح، ويمكن لهذا الإلكترون الهروب من المادة بطاقة حركية K تعطى بالمعادلة:

K=E−W=hf−W

يُطلق على الإلكترونات التي تُطرد بهذه الطريقة اسم الإلكترونات الضوئية، وتشكل تياراً ضوئياً يمكن قياسه عن طريق توصيل المادة بدارة خارجية.

دالة العمل

دالة العمل هي الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإزاحة إلكترون من مادة، مما يؤثر على طرد الإلكترونات الضوئية.

الطرد الفوري

طرد الإلكترونات الضوئية هو فوري ويعتمد على تردد الضوء وليس شدته.

تطبيقات

خلايا الكهروضوئية أو الخلايا الشمسية: هذه الأجهزة تقوم بتحويل طاقة الضوء إلى طاقة كهربائية باستخدام التأثير الكهروضوئي. تتكون من مادة شبه موصلة (مثل السيليكون) تمتص الفوتونات وتطرد الإلكترونات الضوئية، والتي يتم جمعها بواسطة الأقطاب وتشكل تياراً كهربائياً.

أنابيب مضاعفة الضوء: هذه الأجهزة تقوم بتعزيز الإشارات الضوئية الضعيفة باستخدام سلسلة من الأقطاب التي تطرد إلكترونات ثانوية عندما تصطدم بها الإلكترونات الضوئية. تستخدم في أجهزة استشعار الإشعاع والطياف والعلم الفلك والتصوير الطبي.

الطياف الضوئي للإلكترونات:

هذه التقنية تستخدم الإلكترونات الضوئية لتحليل التركيب الكيميائي والهيكل الإلكتروني للمواد. تتضمن إضاءة عينة بشعاع من الفوتونات (مثل الأشعة السينية أو الضوء فوق البنفسجي) وقياس الطاقة الحركية والتوزيع الزاوي للإلكترونات الضوئية المنبعثة. باستخدام مبدأ حفظ الطاقة، يمكن حساب طاقة ربط الإلكترونات الضوئية، والتي تعكس مستويات الطاقة الذرية والجزيئية في العينة. يمكن أن توفر تقنية الطيف الضوئي للإلكترونات معلومات حول الإلكترونات القيمة والأساسية، والدارات الجزيئية، والروابط الكيميائية، وخواص السطح للمواد. تستخدم تقنية الطيف الضوئي للإلكترونات على نطاق واسع في الفيزياء والكيمياء والأحياء وعلوم المواد.

ملخص

في هذا المقال، تعلمنا عن الإلكترونات الضوئية وتطبيقاتها. الإلكترونات الضوئية هي الإلكترونات التي تُطرد من مادة عندما تمتص طاقة ضوء أعلى من تردد معين.

ظاهرة طرد الإلكترونات الضوئية تُعرف بالتأثير الكهروضوئي، وتدعم النظرية الكمية للضوء والمادة. للتأثير الكهروضوئي بعض الخصائص المميزة التي تعتمد على تردد وإشاعة الضوء، ودالة العمل للمادة، وطاقة حركة الإلكترون الضوئي.

يمكن استخدام الإلكترونات الضوئية لدراسة الهيكل الإلكتروني والتركيب الكيميائي للمواد باستخدام تقنيات مختلفة من الطيف الضوئي للإلكترونات، مثل الطيف الضوئي للإلكترونات بالأشعة السينية (XPS)، والطيف الضوئي للإلكترونات بالضوء فوق البنفسجي (UPS)، والطيف الضوئي للإلكترونات بزاوية الانبعاث (ARPES)، والطيف الضوئي للإلكترونات بتوفيق ضوءين (2PPE)، والطيف الضوئي للإلكترونات بالأشعة فوق البنفسجية القصوى (EUPS).

يعتبر الطيف الضوئي للإلكترونات أداة مهمة لفهم خصائص وتفاعلات الذرات والجزيئات في مختلف حالات المادة.