النموذج الجسيمي للموجات - فيزياء3-3 - ثالث ثانوي

وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 الفصل نظرية الكم Quantum Theory 3 ما الذي ستتعلمه في هذا الفصل؟ . معرفة أن الضوء يسلك سلوك الجسيمات التي لها زخم وطاقة. . معرفة أن الجسيمات المادية الصغيرة تسلك سلوك الموجات؛ فيحدث لها حيود وتداخل. الأهمية تزودنا نظرية الكم بمبدأ عمل جهاز مهم وهو المجهر الأنبوبي الماسح (STM) Sanning Tunneling Microscop حيث يعد هذا الجهاز ضروريًا جدًّا للباحثين المهتمين بدراسة الحمض النووي DNA، وميكانيكية التفاعل الكيميائي، ويستخدم أيضًا في تطوير أجهزة الحاسوب الأصغر حجما والأكبر سرعة. صور على المستوى الذري يمكن مشاهدة نوعين من ذرات السليكون، يظهران باللونين الأحمر والأزرق في صورة السليكون التي نحصل عليها باستخدام جهاز STM فكر استخدم المجهر الأنبوبي الماسح للحصول على هذه الصورة لسطح السليكون. وهو يستخدم مقدرة الإلكترونات على القفز عبر حاجز. كيف تحدث عملية القفز هذه التي تعد مستحيلة وفق قانون حفظ الطاقة؟ 486

www.ien.edu.sa تجربة استهلالية ) ماذا يشبه طيف المصباح الكهربائي المتوهج ؟ أقلام رصاص ملونة لعمل رسم توضيحي لما تشاهده. 6. أدِرُ مفتاح التحكم لزيادة سطوع المصباح الكهربائي سؤال التجربة ما ألوان الضوء المرئي المنبعثة من مصباح إلى حده الأقصى. كهربائي متوهج وساطع ؟ الخطوات SD 1. ثبت المصباح الكهربائي المتوهج في قاعدته 2 صل المصباح مع مصدر جهد كهربائي يمكن التحكم فيه بمفتاح تحكم، وأضئ المصباح بحيث يصدر ضوءًا 7. أنشئ رسومًا توضيحية علمية واستخدمها استعمل أقلام رصاص ملونة لعمل رسم توضيحي لما تشاهده. التحليل صف الطيف المنبعث من المصباح الكهربائي، هل هو متصل أم سلسلة من الخطوط الملونة والمميزة؟ صف خافتاً. تحذير : تجنب لمس المصباح المتوهج؛ لأنه يؤدي إلى إحداث حروق عندما يكون ساخناً. كيف يتغير الطيف المشاهد عندما يزداد سطوع المصباح؟ التفكير الناقد ما مصدر الضوء المنبعث من المصباح؟ ماذا 3. أطفئ المصابيح الأخرى في الغرفة أو اجعل إضاءتها خافتة. يحدث لدرجة حرارة فتيلة المصباح عندما يزداد سطوع 4. قف على بعد 12 من المصباح الكهربائي، وأمسك المصباح الكهربائي؟ بمحزوز حيود هو لو جرافي؛ بحيث يكون قريبا من عينك، وشاهد المصباح من خلاله تحذير: لا تنظر مباشرة إلى المصباح الكهربائي الساطع دون استخدام محزوز الحيود؛ لأن ذلك يؤدي إلى إلحاق الأذى بقدرتك على الرؤية. 5 أنشئ رسومًا توضيحية علمية واستخدمها استعمل 1- النموذج الجسيمي للموجات A Particle Model of Waves . تصف الطيف المنبعث من جسم ساخن . تفسر التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون. • تحل مسائل تتضمن التأثير الكهروضوئي. المفردات طيف انبعاث مكماة آثبت هینرش هرتز صحة نظرية الموجات الكهرومغناطيسية للعالم ماكسويل - الأهداف والتي درستها من قبل، من خلال تجاربه التي أجراها عام 1889م. واعتبر الضوء بعد ذلك موجات كهرومغناطيسية. وبدا أن جميع الظواهر البصرية - ومنها التداخل والحيود والاستقطاب - قابلة للتفسير باستخدام نظرية الموجات الكهرومغناطيسية. ورغم ذلك بقيت بعض المشكلات لدى الفيزيائيين بحاجة إلى حل؛ لأن ما أشارت إليه نظرية ماكسويل - أن الضوء عبارة عن موجات كهرومغناطيسية محضة - لم يستطع تفسير بعض الظواهر المهمة الأخرى. وتتعلق هذه المشكلات عموما بعملية امتصاص أو انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي. ومن هذه المشكلات: الطيف المنبعث من جسم ساخن، وتحرير الجسيمات المشحونة كهربائيا من سطح فلزي عند سقوط أشعة فوق بنفسجية عليه. وسوف تتعلم في هذا الفصل أن هاتين الظاهرتين يمكن تفسيرهما عندما تدرك أن الموجات الكهرومغناطيسية لها خصائص جسيمية إضافة إلى خصائصها الموجية. التأثير الكهروضوئي (الانبعاث الكهروضوئي) تردد العتبة الفوتون دالة (اقتران) الشغل تأثير كومبتون وزارة التعليم Minist487ucation 2023-1445

تجربة الإشعاع من الأجسام المتوهجة Radiation from Incandescent Bodies السطوع في الظلام PTY لماذا خير الإشعاع المنبعث من الجسم الساخن الفيزيائيين؟ لاحظ أنه يجب التعامل مع المشكلة من حيث شدة الإشعاع المنبعث - كمية الطاقة الإشعاعية التي تسقط عموديا أسدل الستائر وأطفئ المصابيح في على وحدة المساحات خلال ثانية، وتقاس بوحدة W/m وتردده عند درجات حرارة الغرفة، ثم سلط ضوء مصباح يدوي مختلفة. لم تستطع نظرية الموجات الكهرومغناطيسية لماكسويل تفسير الإشعاعات المشاهدة على إناء مختبري يحتوي على مادة المنبعثة من الأجسام الساخنة. إذن فما طبيعة الإشعاع المنبعث من الأجسام الساخنة؟ الفلوريسين. ضع الآن مرشح ضوء أحمر على المصباح اليدوي لكي يسقط عندما يستخدم مفتاح التحكم لزيادة الجهد المطبق على المصباح فإن درجة حرارة الفتيلة ضوء أحمر فقط على الإناء. المتوهجة تزداد. ونتيجة لذلك فإن اللون يتغير من الأحمر الداكن إلى البرتقالي، ثم إلى 1. صف النتائج. الأصفر وأخيرا إلى الأبيض. ويحدث تغير اللون هذا لأن الفتيلة ذات درجة الحرارة الأعلى 2 توقع كيف تتأثر النتائج عند تبعث إشعاعا بتردد أعلى. إن الإشعاع ذا التردد الأعلى ينتج عن التردد الأعلى للطيف استعمال مرشح ضوء أخضر المرئي (اللون البنفسجي) ، وهذا يؤدي إلى أن تظهر الفتيلة بيضاء. بدلاً من المرشح الأحمر؟ 3 اختبر توقعاتك. 4. فسر النتائج. ويسمى الرسم البياني لشدة الضوء المنبعث من جسم ساخن على مدى من الترددات طيف الانبعاث. ويوضح الشكل 1-3 أطياف الانبعاث الجسم متوهج عند درجات الحرارة k 4000 و 5800 و 8000K. لاحظ أنه عند كل درجة حرارة هناك تردد تنبعث عنده 5 توقع ما إذا كان الفلوريسين سيتوهج عند استعمال مرشح كمية عظمى من الطاقة. وإذا قارنت موقع قمة كل منحنى فستلاحظ أنه كلما ازدادت ضوء أزرق مع ذكر تفسير درجة الحرارة فإن التردد الذي تنبعث عنده الكمية العظمى من الطاقة يزداد أيضًا. لتوقعك. 6. اختبر توقعاتك. التحليل والاستنتاج إن القدرة الكلية المنبعثة من جسم ساخن تزداد أيضًا بازدیاد درجة حرارته. تتناسب القدرة (الطاقة المنبعثة في كل ثانية للموجات الكهرومغناطيسية طرديا مع درجة حرارة الجسم الساخن بوحدة كلفن مرفوعة للقوة الرابعة؛ أي Pa T، لذا تشع الأجسام 7. اكتب تفسيرًا مختصرا تلخص الأسخن القدرة أكبر مقارنة بالأجسام الأبرد. وتعد الشمس من أكثر الأمثلة شيوعا على وتوضح فيه مشاهداتك. الأجسام الساخنة التي تشع كمية كبيرة من الطاقة. وهي كرة كثيفة من الغازات سخنت حتى توهجت؛ وذلك بسبب الطاقة الناتجة عن التفاعلات النووية فيها. الشدة W/m2) 10 9 8 7 6 تحت حمراء 4 5800 K وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 4000 K الإشعاع من جسم متوهج 1 1 T مرئي تجربة عملية ما العلاقة بين لون الضوء المنبعث من دايود مشع للضوء والهبوط في الجهد خلاله؟ ارجع إلى دليل التجارب العملية على منصة عين الإثرائية فوق بنفسجية. 8000 K 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (1042) التردد الشكل 1-3 يوضح الرسم البياني أطياف الانبعاث لجسم متوهج عند ثلاث درجات حرارة مختلفة. 488

تكمن مشكلة النظرية الكهرومغناطيس ويل في أنها غير قادرة على تفسير شكل تطبيق الفيزياء الطيف الموضح في الشكل -31. وقد حاول كثير من الفيزيائيين خلال الفترة بين 1887 و 1900م تفسير شكل هذا الطيف باستخدام النظريات الفيزيائية الكلاسيكية التي - درجة حرارة الكون كانت موجودة آنذاك، ولكنها فشلت جميعًا. وفي عام 1900م وجد الفيزيائي الألماني ماكس الكون مليء بالإشعاع الذي بعثه عندما كان بلانك أن باستطاعته حساب الطيف اعتمادًا على فرضية ثورية قدّمها تنص على أن الذرات جسما ساخنا جدا، وفي الوقت الحالي، طيف الانبعاث للكون مماثل لطيف غير قادرة على تغيير طاقتها بشكل مستمر. وافترض بلانك أن طاقة اهتزاز الذرات في الجسم الصلب لها ترددات محددة فقط كما هو موضح في المعادلة التالية: طاقة الاهتزاز E = nhf طاقة الذرة المهتزة تساوي حاصل ضرب عدد صحيح في ثابت بلانك وفي تردد الاهتزاز. في المعادلة أعلاه، يمثل أتردد اهتزاز الذرة، و ثابت بلانك ومقداره J /Hz-10×6.626، و 1 عدد صحيح مثل ... 0,1,2,3. n=0: E=(0) hf = 0 n = 1: E = (1) hf = hf n=2: E=(2) hf=2hf الانبعاث الجسم درجة حرارته 2.7K وهو بهذا يعد باردًا جدًا، وكما تعلم فإن K تمثل أقل درجة حرارة ممكنة في مقياس كلفن وتسمى الصفر المطلق. رموز الكتب يرمز لكمية التردد وهكذا n = 3: E = (3) hf = 3hf Frequency في كتاب الكيمياء بالرمز (نيو) لذا فإن الطاقة يمكن أن يكون لها المقادير 1 و 2 و . . . وهكذا، ولكن لن يكون وبالرمز / في كتاب الفيزياء؛ لها المقدار hf أو f أي أن الطاقة مكتماة، أي أنها توجد فقط على شكل حزم أو كميات وكلاهما صحيحان ويعبران عن نفس الكمية. معينة، ويقرب الثابت h عادة إلى Hz 10 × 6.63 لتبسيط إجراء الحسابات. واقترح بلانك أيضًا أن الذرات لا تشع دائما موجات كهرومغناطيسية عندما تكون في حالة اهتزاز، كما توقع ماكسويل، وبدلاً من ذلك اقترح بلانك أن الذرات تبعث إشعاعًا فقط عندما تتغير طاقة اهتزازها فإذا تغيرت طاقة اهتزاز ذرة مثلاً من 3 إلى 2hf فإن الذرة تبعث إشعاعا، والطاقة المنبعثة تساوي التغير في طاقة اهتزاز ،الذرة، وهي تساوي hf في هذه الحالة. وجد بلانك أن الثابت له قيمة صغيرة جدًّا، وهذا يعني أن مراحل تغير الطاقة صغيرة جدا بحيث لا يمكن ملاحظتها في الأجسام العادية. وبقي تقديم مفهوم تكمية الطاقة يمثل مشكلة كبيرة للفيزيائيين، وخصوصًا لبلانك نفسه. وكانت هذه أول إشارة إلى أن الفيزياء الكلاسيكية لنيوتن وماكسويل قد تكون صحيحة تحت ظروف خاصة فقط. فاز ماكس بلانك بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1918م، لنظريته الكمية. وزارة التعليم Minist 489 2023-1445 fucation

التأثير الكهروضوئي The Photoelectric Effect واجه الفيزيائيون في بداية القرن العشرين أيضًا بعض التحديات المتعلقة ببعض النتائج العملية التي لا يمكن تفسيرها من خلال النظرية الموجية لماكسويل؛ حيث لوحظ أنه عند سقوط أشعة فوق بنفسجية على لوح زنك مشحون بشحنة سالبة فإنه يفقد شحنته. أما عند سقوط ضوء مرئي عادي على اللوح المشحون نفسه فإنه لا يفقد شحنته، وهذه النتيجة مناقضة للنظرية الكهرومغناطيسية؛ حيث إن كلا من الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي يتكونان من إشعاع كهرومغناطيسي، فلماذا إذن يفقد لوح الزنك شحنته بأحدهما ولا يفقدها بالآخر؟ ولماذا لا يفقد لوح الزنك الموجب الشحنة شحنته بطريقة مماثلة؟ وقد بينت دراسات إضافية أن لوح الزنك السالب الشحنة يفقد شحنته نتيجة انبعاث أو فقد إلكترونات، ويسمى انبعاث إلكترونات عند سقوط إشعاع كهرومغناطيسي على جسم التأثير الكهروضوئي. يمكن دراسة التأثير الكهروضوئي باستخدام خلية ضوئية، كتلك الموضحة في الشكل 2-3؛ حيث تحتوي الخلية على قطبين كهربائيين فلزيين في أنبوب مفرغ من الهواء ومحكم الإغلاق. والهدف من الأنبوب المفرغ هو منع تأكسد سطوح الفلزين، ومنع الإلكترونات من التباطؤ أو التوقف نتيجة تفاعلها مع الجسيمات الموجودة في الهواء. وعادة يطلى القطب الأكبر (المهبط ) بمادة السيزيوم، أو أي فلز قلوي آخر، في حين يصنع القطب الأصغر (المصعد) من سلك رفيع؛ لكي يحجب كمية قليلة فقط من الإشعاع ويصنع الأنبوب عادة من الكوارتز؛ لكي يسمح للأطوال الموجية للأشعة فوق البنفسجية بالنفاذ من خلاله. ويؤدي تطبيق فرق جهد على القطبين إلى جذب الإلكترونات في اتجاه المصعد. لا يسري تيار في الدائرة الكهربائية إذا لم يسقط إشعاع مناسب على المهبط، لكن عندما قط الإشعاع عليه ينتج تيار كهربائي يتم قياسه بجهاز الأميتر، كما هو موضح في كل . وينتج هذا التيار لأن التأثير الكهروضوئي أدى إلى تحرير إلكترونات - الشكل 2-3 في الخلية الضوئية تسمى الإلكترونات الضوئية - من المهبط ، وتدفق الإلكترونات هذا عبارة عن تيار الموضحة، تتدفق الإلكترونات المحررة كهربائي في الدائرة؛ حيث تتدفق الإلكترونات في اتجاه المصعد (القطب الموجب). من المهبط إلى المصعد، ومن ثم تكتمل تردد العتبة ليس كل إشعاع يسقط على المهبط يولد تيارًا كهربائيًا؛ فالإلكترونات تنبعث الدائرة الكهربائية، ويتولد تيار كهربائي من المهبط فقط عندما يكون تردد الإشعاع الساقط أكبر من قيمة صغرى معينة، تسمى (4). يعمل مقياس الضوء اليدوي بسبب التأثير الكهروضوئي، ويستخدمه تردد العتبة . ويتغير تردد العتبة بتغير نوع الفلز. فمثلاً تُحرر كل الأطوال الموجية للضوء مصورو الفوتوجرافيا لقياس مستويات المرئي - ما عدا الضوء الأحمر - إلكترونات من السيزيوم، بينما لا يُحرر أي طول موجي للضوء المرئي إلكترونات من الزنك؛ حيث إننا نحتاج إلى الأشعة فوق البنفسجية ذات الضوء (b). التردد العالي لحدوث التأثير الكهروضوئي في الزنك. مصدر ضوء أو أشعة فوق بنفسجية. 490 الكترونات اشعاع مصعد وزارة التعليم Ministry of Educo 2023-1445

وزارة التعليم Minist49ucation 2023-1445 يكون الإشعاع ا ساقط على فلز غير قادر على تحرير إلكترونات منه مهما كانت شدة هذا الإشعاع إذا كان تردده أقل من . في حين يؤدي سقوط إشعاع شدته قليلة جدا وتردده مساو أو أكبر من تردد العتبة إلى تحرير إلكترونات من الفلز مباشرة. عندما يكون تردد الإشعاع الساقط مساويًا أو أكبر من تردد العتبة فإن زيادة شدة هذا الإشعاع تؤدي إلى زيادة تدفق الإلكترونات الضوئية. كيف تفسر نظرية الموجات الكهرومغناطيسية التأثير الكهروضوئي؟ إنها غير قادرة على ذلك؛ فبناءً على نظرية الموجات الكهرومغناطيسية فإن المجال الكهربائي يحرر الإلكترونات من الفلز ويسرعها، وترتبط شدة المجال الكهربائي مع شدة الإشعاع (لا مع تردده). ولذلك فإن الإلكترونات في الفلز يمكن أن تمتص طاقة من مصدر ضوء خافت فترة زمنية طويلة جدا لتكتسب طاقة كافية لتحررها. لكن كما درست قبل قليل فإن ما يحدث غير ذلك؛ حيث تبين المشاهدات أن الإلكترونات تنطلق مباشرة حتى عندما يسقط على الفلز إشعاع ذو شدة منخفضة وتردده مساو أو أكبر من تردد العتبة. الفوتونات وتكمية الطاقة نشر العالم أينشتاين في عام 1905م نظرية جريئة تفسر التأثير الكهروضوئي. وبناءً على نظرية أينشتاين، يتكون الضوء والأشكال الأخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي من حزم مكماة ومنفصلة من الطاقة، سُمّي كل منها فيما بعد فوتون. وتعتمد طاقة الفوتون على تردده طاقة الفوتون E = hf طاقة الفوتون تساوي حاصل ضرب ثابت بلانك في تردد الفوتون في المعادلة أعلاه تمثل f التردد بوحدة Hz، و ثابت بلانك. ولأن 1/5 = Hz فإن وحدة Hz/ الثابت بلانك مكافئة أيضًا للكمية .J. ولأن وحدة الجول وحدة طاقة كبيرة جدا لاستخدامها في الأنظمة ذات الحجم الذري، لذا فالوحدة الأكثر شيوعا للطاقة هي وحدة الإلكترون فولت (ev). وكل إلكترون فولت يساوي طاقة إلكترون يتسارع عبر فرق جهد مقداره فولت واحد 1eV = (1.60×10-19 ) (10) =1.60×10-19 .V =1.60×10-19 يسمح استخدام تعريف الإلكترون فولت بإعادة كتابة معادلة طاقة الفوتون في شكل مبسط، كما هو موضح أدناه. (1240 eV.nm) hc E= λ = λ طاقة الفوتون تساوي طاقة الفوتون حاصل قسمة 1240eV.nm على الطول الموجي للفوتون.

من المهم ملاحظة أن نظرية أينشتاين للفوتون أشمل وأعم من نظرية بلانك للإشعاع المنبعث من الأجسام الساخنة. فبينما توقع بلانك أن الذرات المهتزة تبعث إشعاعا كهرومغناطيسيا بطاقة تساوي ،nhf، فإنه لم يتوقع أن الضوء والأشكال الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي تسلك سلوك الجسيمات. أما نظرية أينشتاين للفوتون فتعيد تفسير نظرية بلانك للإشعاع المنبعث من الأجسام الساخنة وتوسعها. تستطيع نظرية أينشتاين للتأثير الكهروضوئي تفسير وجود تردد العتبة كما يلي: يلزم فوتون له أقل تردد ، وأقل طاقة hf، ليحرر إلكتروناً من فلز. أما إذا كان تردد الفوتون الساقط أقل من فلن يكون له الطاقة الكافية لتحرير الإلكترون. ولأن فوتونا واحدًا فقط يتفاعل مع إلكترون واحد فإن الإلكترون لا يستطيع تجميع طاقة فوتونات تردداتها أقل من تردد العتبة حتى يكون له الطاقة الكافية اللازمة لتحريره أما الإشعاع الذي تردده أكبر من ر فإن له طاقة أكبر من الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون؛ فتتحول هذه الطاقة الزائدة fo إلى طاقة حركية للإلكترونات المتحررة. الطاقة الحركية لإلكترون كهروضوئي KE = hf-hfo الشكل 3-3 يمكن قياس الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المتحررة من المهبط باستخدام هذا الجهاز؛ حيث يقيس الأميتر التيار المار في الدائرة. وبتعديل مجزئ الجهد يمكن للشخص الذي يجري التجربة تحديد فرق الجهد الذي يصبح عنده التيار المار في الدائرة صفرا عندها يمكن قياس الطاقة الحركية العظمى الممكنة للإلكترونات الطاقة الحركية للإلكترون المتحرر تساوي الفرق بين طاقة الفوتون الساقط hf والطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون من الفلز hf مهبط مصدر ضوء أو أشعة فوق بنفسجية مجزئ جهد ww مصعد خلية أميتر كهروضوئية المتحررة 492 اختبار النظرية الكهروضوئية كيف يمكن اختبار نظرية أينشتاين؟ يمكن قياس الطاقة الحركية للإلكترونات المتحررة بطريقة غير مباشرة بواسطة جهاز خاص بذلك، كالموضح في الشكل .33. يستخدم فرق جهد كهربائي متغير لتعديل فرق الجهد المطبق عبر الأنبوب. عندما يعدل فرق الجهد لجعل المصعد سالبا فإن الإلكترونات المتحررة تخسر طاقة للوصول إلى المصعد وسيصل إليه فقط الإلكترونات المتحررة من المهبط ذات الطاقة الحركية الكافية. وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

2030 اقتصاد مزدهر وكما هو موضح في الشكل ،33، يتم اختيار ضوء بتردد معين لإضاءة المهبط. يقوم الربط مع رؤية 2030 | الشخص الذي يجري التجربة بزيادة فرق الجهد المعاكس تدريجيا، بحيث يجعل المصعد رويه VISION أكثر سالبية وكلما ازداد فرق الجهد المعاكس لزمت طاقة حركية أكبر للإلكترونات للوصول إلى المصعد، لذا يصل إليه عدد أقل من الإلكترونات لتكمل الدائرة. وعند فرق من أهداف الرؤية جهد معين يسمى جهد الإيقاف أو القطع ، لن تكون هنالك إلكترونات لها طاقة حركية 3.2.4 زيادة مساهمة مصادر الطاقة كافية للوصول إلى المصعد، وعندها يتوقف سريان التيار عند جهد الإيقاف تكون الطاقة الحركية للإلكترونات عند المهبط مساوية للشغل المبذول من المجال الكهربائي لإيقافها. ويعبر عن هذا بالمعادلة : KE =-qV، حيث تمثل V مقدار المتجددة في مزيج الطاقة الشكل 34 من مشاريع الشركة السعودية للكهرباء ومدينة الملك جهد الإيقاف بوحدة الفولت ، و و شحنة الإلكترون، وهي C 10-19×1.60 عبدالعزيز للعلوم والتقنية تركيب لاحظ أن الإشارة السالبة في المعادلة والمقدار السالب للشحنة و ينتجان مقدارًا موجباً خلايا كهروضوئية تعتمد على الطاقة للطاقة الحركية KE. الشمسية في توليد الطاقة المدرستين تطبيقات يستخدم التأثير الكهروضوئي في التطبيقات اليومية المختلفة. فالألواح الشمسية بالرياض بهدف إنتاج الطاقة النظيفة الموضحة في الشكل -4-3 تستخدم التأثير الكهروضوئي لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة ضمن البرامج الهادفة إلى التوسع في كهربائية. كما تحتوي فاتحات أبواب مواقف السيارات على حزم من الأشعة تحت الحمراء مشاريع "الطاقة البديلة" لتوفير تنشئ تيارًا في المستقبل من خلال التأثير الكهروضوئي. فإذا قطعت حزمة الضوء هذه الوقود والمحافظة على البيئة. بجسم في أثناء إغلاق باب الموقف فإن التيار يتوقف في المستقبل، مما يؤدي إلى فتح الباب. ويستخدم التأثير الكهروضوئي أيضًا في التحكم في إضاءة مصابيح الشوارع وإطفائها آليا؛ اعتمادًا على ما إذا كان الوقت نهارًا أو ليلاً. وزارة التعليم Minist493ucation 2023-1445

مثال 1 الطاقة الحركية لإلكترون ضوئي إذا كان جهد الإيقاف لخلية ضوئية معينة 4.0V فما مقدار الطاقة الحركية التي يُكسبها الضوء الساقط للإلكترونات المتحررة؟ عبّر عن إجابتك بوحدتي الجول والإلكترون فولت تحليل المسألة ورسمها . ارسم المهبط والمصعد والإشعاع الساقط واتجاه حركة الإلكترون المتحرر. لاحظ أن جهد الإيقاف يحول دون تدفق الإلكترونات عبر الخلية الضوئية. المعلوم V₁ = 4.0 V q= -1.60x10-19 المجهول ?=( eV و ( بوحدة) KE مصعد إشعاع ساقط مهبط 494 إيجاد الكمية المجهولة يبذل المجال الكهربائي شغلاً على الإلكترونات عندما يكون الشغل المبذول W يساوي سالب الطاقة الحركية الابتدائية KE فإن الإلكترونات لا تتدفق عبر الخلية الضوئية. حل المعادلة لحساب الطاقة الحركية KE. بالتعويض عن ٩٧ = W السالية. KE + W = 0 ] KE = - W =-qV دليل الرياضيات الأرقام الصغيرة واستخدام الأسس بالتعويض عن 19-10×1.60 - = 4.0.9 = V =-(-1.60 X 10-19 C) (4.0 V) حول وحدة قياس الطاقة الحركية من جول إلى إلكترون فولت = +6.4 × 10-19 KE = (+6.4x10-191) = 4.0 eV 1 eV 1.60 ×10-19 ) تقويم الجواب • هل الوحدات صحيحة ؟ الجول والإلكترون فولت كلاهما وحدات قياس للطاقة. • هل للإشارات معنى ؟ الطاقة الحركية دائما موجبة. • هل الجواب منطقي؟ الطاقة بوحدة الإلكترون فولت تساوي في المقدار فرق جهد الإيقاف بوحدة فولت. مسائل تدريبية 1. ما طاقة إلكترون بوحدة الجول إذا كانت طاقته eV 2.3؟ 2. إذا كانت سرعة إلكترون m/s 10 6.2 فما طاقته بوحدة eV؟ 3. ما سرعة الإلكترون في المسألة 1؟ 4. إذا كان جهد الإيقاف الخلية كهروضوئية 5.7 فاحسب الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات المتحررة بوحدة eV. 5. يلزم جهد إيقاف مقداره 3.2 لمنع سريان التيار الكهربائي في خلية ضوئية. احسب الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات الضوئية المتحررة بوحدة الجول. وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445

مسألة تحفيز افترض أن قطعة نقدية كتلتها 5.08 معلقة بنابض تهتز إلى أعلى وإلى أسفل، وكانت السرعة القصوى لهذه القطعة في أثناء اهتزازها 1.0cm / s اعتبر أن قطعة النقد المهتزة تمثل الاهتزازات الكمية للإلكترونات في الذرة، حيث تعطى طاقة الاهتزازات بالمعادلة E= nhf. 1. احسب الطاقة الحركية العظمى للجسم المهتز. 2. يبعث الجسم المهتز طاقة على شكل ضوء بتردد Hz 5.010 إذا كانت هذه الطاقة تبعث في مرحلة واحدة فاحسب الطاقة التي يفقدها الجسم. 3. حدد عدد المراحل التي ستقل فيها طاقة الجسم بمقادير متساوية حتى يفقد طاقته كلها. تختلف الرسوم البيانية للفلزات المختلفة فقط في تردد العتبة اللازم لتحرير الإلكترونات. في الشكل 5-3- تردد العتبة هو النقطة التي تكون عندها 0 = KE. وفي هذه الحالة تقع f على نقطة تقاطع الخط المستقيم مع المحور x ، ويساوي هنا Hz 10×4.4 تقريباً. ويرتبط ترعة العتبة مع دالة الشغل (الفتران الشغل) للفاز. دالة الشغل (اقتران الشغل) للفلز مي الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون الأضعف ارتباطا في الفلز، ومقدارها يساوي hf وعندما يسقط فوتون تردده على فلز تكون طاقته كافية لتحرير الإلكترون فقط، دون تزويده بأي طاقة حركية. أجرى العالم الأمريكي روبرت مليكان بين عامي 1905 و 1916م مجموعة من التجارب لنظريته التي فسرت التأثير الجيدة، حاول من خلالها أن يدحض النظرية الكهروضوئية لأينشتاين. ومع أن نتائج الجاريه أكدت صحة معادلة أينشتاين إلا أنه لم يقبل فكرة أينشتاين عن الفوتون. فاز ألبرت أينشتاين بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1921م، الكهروضوئي. فاز روبرت مليكان بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1923م، لحسابه شحنة الإلكترون وأبحاثه في التأثير الكهروضوئي. الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات الضوئية مقابل التردد 3 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 (1014) التردد الطاقة الحركية العظمى (CV) الشكل 5-3 يوضح الرسم البياني أنه كلما زاد تردد الإشعاع الساقط ازدادت الطاقة الحركية للإلكترونات المتحررة بشكل متناسب. وزارة | سليم Minist 495ducation 2023-1445

مثال 2 دالة الشغل والطاقة تستخدم خلية ضوئية مهبطا من الصوديوم. فإذا كان طول موجة العتبة المهبط الصوديوم nm 536 a فاحسب دالة الشغل للصوديوم بوحدة ev. إذا سقط إشعاع فوق بنفسجي طوله الموجي 348nm على الصوديوم فما طاقة الإلكترونات المتحررة بوحدة eV؟ تحليل المسألة ورسمها . ارسم المصعد والمهبط والإشعاع الساقط، واتجاه الإلكترون المتحرر. مهبط + إشعاع ساقط W=hf= hc 1240 eV.nm 536 nm 1240 eV.nm E λ 1240 eV.nm 348nm = 2.31eV = 3.56 eV KE=hf-hf, = E-W = hc - 3.56 eV-2.31 eV = 1.25 eV hc المجهول W=? X = 536 nm KE=? المعلوم hc = 1240 eV.nm λ = 348 nm إيجاد الكمية المجهولة استخدم ثابت بلانك وطول موجة العتبة لإيجاد دالة الشغل. بالتعويض eV.nm 1240 = 536 nm, hc = ها. استخدم معادلة التأثير الكهروضوئي لأينشتاين حساب طاقة الإشعاع الساقط. بالتعويض 348nm = لحساب طاقة الإلكترون المتحرر اطرح دالة الشغل من طاقة الإشعاع الساقط. hc بالتعويض =W = he، E بالتعويض 2.31 = E = 3.56 eV W دليل الرياضيات إجراء العمليات الحسابية باستخدام الأرقام المعنوية. 3 تقويم الجواب • هل الوحدات صحيحة ؟ إجراء التحليل البعدي على الوحدات يؤكد أن وحدة eV هي الوحدة المناسبة للطاقة الحركية KE. • هل للإشارة معنى ؟ الطاقة الحركية موجبة دائما. • هل الجواب منطقي؟ ينبغي أن تكون الطاقات مقادير قليلة من الإلكترون فولت. مسائل تدريبية 6. احسب تردد العتبة للزنك بوحدة Hz ودالة الشغل بوحدة eV إذا كان طول موجة العتبة للزنك 310nm 7. ما مقدار الطاقة الحركية بوحدة eV للإلكترونات المتحررة من السيزيوم عندما يسقط عليه ضوء بنفسجي طوله الموجي 425nm إذا كانت دالة الشغل له eV 1.96؟ 8. تتحرر من فلز إلكترونات بطاقات 3.5e عندما يضاء بإشعاع فوق بنفسجي طوله الموجي nm 193. ما مقدار دالة الشغل لهذا الفلز؟ 9. إذا كانت دالة الشغل لفلز 4.500 فيها مقدار أكبر طول موجي للإشعاع الساقط عليه، بحيث ية إلكترونات منه ؟ وزارة التعليم Ministry of Education 2023-1445 496

تأثير كومبتون The Compton Effect يُظهر التأثير الكهروضوئي أن للفوتون - رغم أنه ليس له كتلة – طاقة حركية، تماما كما للجسيمات. وفي عام 1916م اقترح أينشتاين أن الفوتون يجب أن يكون له خاصية جسيمية أخرى هي الزخم وبيّن أن زخم الفوتون يجب أن يساوي . ولأن E = hf و /1 = / ، فإن زخم الفوتون يعطى بالمعادلة: زخم الفوتون hf h p= زخم الفوتون يساوي حاصل قسمة ثابت بلانك على الطول الموجي للفوتون. اختبرت تجارب أجراها الفيزيائي الأمريكي أرثر هولي كومبتون عام 1922م نظرية أينشتاين وقد دعمت نتائج تجارب كومبتون النموذج الجسيمي للضوء. سلّط كومبتون أشعة X ذات طول موجي معلوم على هدف من الجرافيت، كما هو موضح في الشكل 3-6a، وقاس الأطوال الموجية لأشعة X التي شتتها الهدف، لاحظ كومبتون أن بعض أشعة X المشتتة لم يتغير طولها الموجي، في حين أصبح لبعضها الآخر طول موجي أكبر مما للإشعاع الساقط. وضحت هذه النتائج في الشكل .6- لاحظ أن الطول الموجي المقابل لأكبر شدة لأشعة X غير المشتتة يتطابق مع مثيله لأشعة X الساقطة، بينما الطول الموجي المقابل الأكبر شدة لأشعة X المشتتة أكبر من مثيله لأشعة X الساقطة. تذكر أن معادلة طاقة الفوتون = E يمكن كتابتها أيضًا على شكل /E= hc. تظهر المعادلة الثانية أن طاقة الفوتون تتناسب عكسياً مع طوله الموجي. إذن الزيادة في الطول الشكل 6 - 3 استخدم كومبتون أدوات الموجي الذي لاحظه كومبتون تعني أن فوتونات أشعة X قد فقدت طاقة وزخما تسمى مشابهة لهذه الأدوات في دراسة طبيعة الإزاحة في طاقة الفوتونات المشتتة تأثير كومبتون. وهذه الإزاحة في الطاقة صغيرة. رة جدا، الفوتونات (8) زيادة الطول الموجي nm 10 تقريبا، ولها تأثير قابل للقياس فقط عند استخدام أشعة X بأطوال موجية في للفوتونات المشتتة دليل على أن فوتونات حدود 10-2nm أو أقل. أشعة X قد فقدت طاقة (b). 0 = 0 أشعة X غير مشتتة ب الطول الموجي 0 90° أشعة X مشتتة ب الطول الموجي أشعة X مطياف أشعة X مشتتة أشعة X غير مشتتة 0 = 90° λ هدف من الجرافيت المصير أشعة ٠٠٠x وزارة التعليم Minist 497 2023-1445 Jucation

بعد التصادم قبل التصادم الكترون مرتد الت E = الطاقة mu = الزخم f = الطاقة فوتون مشتت الكترون فوتون ساقط amm mc2 = طاقة f = طاقة زخم الشكل 2-3 تصادم كرتي بلياردو في التجارب الأخيرة، لاحظ كومبتون تحرر إلكترونات من حاجز الجرافيت خلال (a) يشبه تماما ما يحدث عند اصطدام إجراء التجربة، فاقترح أن فوتونات أشعة X اصطدمت بالإلكترونات الموجودة في هدف فوتون بالكترون؛ حيث إن الطاقة الجرافيت، ونقلت الطاقة والزخم إليها. اعتقد كومبتون أن تصادمات الفوتون إلكترون والزخم اللذين يكتسبهما الإلكترون هذه مشابهة تماما للتصادمات المرنة في كرات البلياردو ، كما هو موضح في الشكل 7-3. يساويان الطاقة والزخم اللذين واختبر هذه الفكرة من خلال قياس طاقة الإلكترونات المتحررة، ووجد كومبتون أن الطاقة والزخم اللذين تكتسبها الإلكترونات يساويان الطاقة والزخم اللذين تفقدهما الفوتونات لذا فإن الفوتونات تحقق قانوني حفظ الزخم والطاقة عندما تصطدم بجسيمات أخرى. يفقدهما الفوتون .(b). 3-1 مراجعة 10. التأثير الكهروضوئي لماذا يكون الضوء ذو الشدة 15. طاقة فوتون تنبعث فوتونات طولها الموجي nm 650 من مؤشر ليزر ما مقدار طاقة هذه العالية والتردد المنخفض غير قادر على تحرير إلكترونات من فلز، في حين يكون الضوء ذو الشدة الفوتونات بوحدة eV؟ المنخفضة والتردد العالي قادرًا على ذلك؟ فسر إجابتك. 16. التأثير الكهروضوئي امتصت أشعة X في عظم، 11. تردد إشعاع الجسم الساخن وطاقته كيف يتغير تردد الإشعاع المقابل لأعلى شدة عندما ترتفع درجة حرارة وحررت إلكترونا. إذا كان الطول الموجي لأشعة X 0.02nm تقريبا، فقدر طاقة الإلكترون بوحدة eV. الجسم ؟ وكيف تتغير الكمية الكلية للطاقة المنبعثة؟ 17. تأثير كومبتون أُسقطت أشعة X على عظم، 12. التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون سلط عالم أشعة X على هدف، فانطلق إلكترون من الهدف دون أن ينبعث أي إشعاع آخر. وضح إذا كان هذا الحدث فاصطدمت بإلكترون فيه وتشتت كيف تقارن بين الطول الموجي لأشعة X المشتتة والطول الموجي لأشعة X الساقطة ؟ ناتجا عن التأثير الكهروضوئي أم عن تأثير كومبتون. 18. التفكير الناقد تخيل أن تصادم كرتي بلياردو يمثل 13. التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون ميز بين التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون. 14 التأثير الكهروضوئي اصطدم ضوء أخضر nm 532=بفلز ما، فحرر إلكترونات منه. إذا تم إيقاف هذه الإلكترونات باستخدام فرق جهد 1.44 ، فما مقدار دالة الشغل للفلز بوحدة eV ؟ التفاعل الذي يحدث بين فوتون وإلكترون خلال تأثير كومبتون. افترض أن بروتونا كتلته أكبر كثيرًا من كتلة الإلكترون وضع بدلاً من الإلكترون فهل تكون الطاقة التي يكتسبها البروتون نتيجة التصادم مساوية لتلك التي يكتسبها الإلكترون؟ . وهل تكون الطاقة التي يفقدها المفو قوات مساوية : لتلك التي يفقدها عندما يتصادم بالإلكترون؟ وزارة التعليم 498 Ministry of Education 2023-1445