مختبر الفيزياء

نمذجة التأثير الكهروضوئي.

سؤال التجربة:

كيف يمكن استعمال كرات فولاذية لنمذجة التأثير الكهروضوئي؟

التحليل:

1. فسر البيانات. أي ألوان فوتونات الضوء حرّرت إلكتروناً واحداً على الأقل في نموذجك؟

أخضر، أزرق، بنفسجي.

2. فسر البيانات. هل لأي من الفوتونات طاقة كافية لتحرير أكثر من إلكترون واحد؟ إذا كان كذلك فحدد لون الفوتون.

لا، حتى البنفسجي يحرر إلكتروناً واحداً فقط.

3. استخدم النماذج. في الخطوة 9، ما نوع الفوتون الذي تمثله الكرة الفولاذية؟

تحت الحمراء.

4. استخدم النماذج. في الخطوة 10، ما نوع الفوتون الذي تمثله الكرة الفولاذية؟

فوق البنفسجي.

5. فسر. هل فوتونات الضوء المرئي فقط هي التي تؤخذ بعين الاعتبار عند مراجعة التأثير الكهروضوئي؟ لماذا؟

لا؛ حيث يتضمن الضوء المرئي أجزاء صغيرة جداً فقط من الطيف الكهرومغناطيسي، الضوء ذو التردد العالي، مثل الضوء فوق البنفسجي يستطيع تحرير إلكتروناً من المواد ولذلك يجب أخذه بعين الاعتبار.

6. لخص. مشاهداتك بدلالة طاقة الفوتونات.

تتناسب طاقة فوتونات الضوء تحت الحمراء، والمرئي، وفوق البنفسجي طردياً مع تردد الضوء، فكلام ازداد التردد ازدادت في المقابل طاقة الفوتونات، الفوتونات العالية الطاقة احتمالية أن تحرر إلكترونات ضوئية أكبر.

الاستنتاج والتطبيق:

1. استنتج. ماذا يحدث إذا اصطدم فوتوناً ضوء أحمر بإلكترونَيْ تكافؤ في اللحظة نفسها؟ اختبر توقعك.

يحرك التصادم كل من الكرتين الفولاذيتين، ولكنهام يبقيان على المسار.

2. التفكير الناقد. تكون قوة ارتباط إلكترونات التكافؤ في ذرات بعض المواد أكبر من قوة ارتباطها في ذرات مواد أخرى، كيف يمكنك أن تعدل النموذج لبيان ذلك؟

أوجد طريقة لربط الكرتين الفولاذيتين معاً برفق في النهاية السفلى للمسار، أو اجعل النهاية السفلى للمسار أكثر طولاً أو شديدة الانحدار.

3. استخلص النتائج. في هذا النموذج، ماذا يحدث لطاقة الفوتون عندما يصطدم بإلكترون ولا يستطيع تحريره من الذرة؟

تتحول الطاقة إلى حرارة تسخن المادة.

التوسع في البحث:

استخدم الصيغة E = hf، حيث تمثل h ثابت بلانك، وf تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي، لحساب طاقة فوتون الضوء الأحمر، قارنها بطاقة فوتون الضوء الأزرق.

الأحمر:

f = 4.5×10¹⁴ Hz,
E = hf = (4.5×10¹⁴ Hz)(6.63×10^-34 J/Hz)
= 3.0×10^-19 J

الأزرق:

f = 7.5×10¹⁴ Hz,
E = hf = (7.5×10¹⁴ Hz)(6.63×10^-34 J/Hz)
= 5.0×10^-19 J

الفيزياء في الحياة:

يستخدم مصورو الفوتوجرافيا عادةً إضاءة حمراء في غرفهم المظلمة، فلماذا لا يستخدمون الضوء الأزرق؟

يستخدم مصورو الفوتوجرافيا الضوء الأحمر لأن فوتونات الضوء الأحمر لها طاقة قليلة بحيث لا تسبب حدوث تفاعل كيميائي في الفيلم المعرض للضوء، أما فوتونات الضوء الأزرق فلها طاقة أكبر، من شأنها أن تحدث تفاعلاً كيميائياً في الفيلم.