مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

نمذجة التأثير الكهروضوئي

تعرف عملية انبعاث الإلكترونات من جسم عندما يسقط إشعاع كهرومغناطيسي عليه بالتأثير الكهروضوئي. وتتحرر الإلكترونات من الجسم فقط عندما يكون تردد الإشعاع أكبر من قيمة صغرى محددة، تسمى تردد العتبة.

سوف تنمذج في هذا الاستقصاء التأثير الكهروضوئي باستعمال كرات فولاذية. وسوف تختبر لماذا تحرر أنواع محددة فقط من الإشعاع الكهرومغناطيسي إلكترونات ضوئية.

سؤال التجربة

كيف يمكن استعمال كرات فولاذية لنمذجة التأثير الكهروضوئي؟

الأهداف

• تصمم نموذجًا لاستقصاء التأثير الكهروضوئي.
• تصف كيف ترتبط طاقة الفوتون مع تردده.
• تستخدم التفسيرات العلمية لتفسير لماذا لا تستطيع الظواهر الجاهرية، الماكروسكوبية، تفسير السلوك الكمي للذرة.

احتياطات السلامة

• احفظ الكحول الأيزوبروبيلي بعيدًا عن اللهب المشتعل.
• لا تبتلع الكحول الأيزوبروبيلي.
• يسبب الكحول الأيزوبروبيلي جفاف الجلد.

المواد والأدوات

| المواد والأدوات |
| ------------------------------------------------------------------------------- |
| ثلاث كرات فولاذية |
| مجرى أو مسار فيه أخدود، قناة على شكل حرف U، أو داعم رف |
| كتب |
| أقلام تخطيط حمراء، وبرتقالية، وصفراء، وخضراء، وزرقاء، وبنفسجية، أو لاصقات ملونة |
| مسطرة مترية |
| كحول أيزوبروبيلي |

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_نمذجة_التأثير_الكهروضوئي_المواد_والأدوات.png

الخطوات

1

شكل المجرى أو القناة كما هو موضح في الصورة، واستعمل عدة كتب لدعمها، كما هو موضح. تأكد أن الكتب لا تغلق نهايتي المجرى.

2

اكتب الحرف R باستعمال قلم التخطيط الأحمر على القناة على ارتفاع 4 cm فوق الطاولة كما هو موضح. تمثل R الأحمر.

3

اكتب الحرف V باستعمال قلم التخطيط البنفسجي على القناة على ارتفاع 14 cm فوق الطاولة كما هو موضح. الرمز V يمثل اللون البنفسجي.

استعمل أقلام التخطيط الملونة الأخرى لوضع علامات للأزرق B، وللأخضر G، وللأصفر Y، وللبرتقالي O على مسافات متساوية بين العلامتين R و V، كما هو موضح في الصورة.

4

ضع كرتين فولاذيتين عند أخفض نقطة على القناة. تمثل هاتان الكرتان إلكتروني التكافؤ للذرة.

5

أمسك كرة فولاذية، وضعها عند الموقع R على القناة. تمثل هذه الكرة الفوتون الساقط للضوء الأحمر.

لاحظ أن طاقة فوتون الضوء الأحمر أقل من طاقة ألوان الضوء الأخرى التي تم نمذجتها.

6

أفلت الكرة الفولاذية، الفوتون، ولاحظ ما إذا كان لها طاقة كافية لتحرير إلكترون تكافؤ من الذرة؛ أي راقب ما إذا أفلتت أيًّا من الكرتين من القناة.

سجل مشاهداتك في جدول البيانات.

7

أزل الكرة الفولاذية التي تمثل الفوتون الساقط من الجزء السفلي من القناة. وأعد الكرتين الفولاذيتين اللتين استعملتهما لتمثيل إلكترونات التكافؤ إلى مكانيهما، أخفض نقطة على القناة.

8

كرر الخطوات 5-7 لكل لون من الألوان التي حددتها على القناة.

تأكد دائمًا عندما تكرر الخطوات أن تكون الكرتان الفولاذيتان عند أخفض نقطة على القناة.

لاحظ أن طاقة فوتون الضوء البنفسجي أكبر من طاقة ألوان الضوء الأخرى التي تم نمذجتها.

سجل مشاهداتك في جدول البيانات.

9

كرر الخطوات 5-7، ولكن أفلت الكرة الفولاذية التي تمثل الفوتون الساقط من نقطة أخفض قليلًا من الموقع R.

سجل مشاهداتك في جدول البيانات.

10

كرر الخطوات 5-7، ولكن أفلت الكرة الفولاذية التي تمثل الفوتون الساقط من نقطة أعلى قليلًا من الموقع V.

سجل مشاهداتك في جدول البيانات.

11

أجب عن السؤال 1 في بند الاستنتاج والتطبيق، ثم اختبر توقعك.

12

عندما تنتهي من تنفيذ التجربة أعد جميع المواد إلى الأماكن التي حددها لك معلمك.

أزل الحروف التي كتبتها على القناة باستعمال الكحول الأيزوبروبيلي، أو أزل اللاصقات الملونة التي وضعتها على القناة.

جدول البيانات

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_بيانات_نمذجة_التأثير_الكهروضوئي.png

| لون أو طاقة الفوتون | الملاحظات |
| ------------------- | --------- |
| أحمر | |
| برتقالي | |
| أصفر | |
| أخضر | |
| أزرق | |
| بنفسجي | |
| أقل من الأحمر | |
| أكبر من البنفسجي | |

التحليل

1. فسر البيانات

أي ألوان فوتونات الضوء حررت إلكترونًا واحدًا على الأقل في نموذجك؟

2. فسر البيانات

هل لأي من الفوتونات طاقة كافية لتحرير أكثر من إلكترون واحد؟

إذا كان كذلك فحدد لون الفوتون.

3. استخدم النماذج

في الخطوة 9، ما نوع الفوتون الذي تمثله الكرة الفولاذية؟

4. استخدم النماذج

في الخطوة 10، ما نوع الفوتون الذي تمثله الكرة الفولاذية؟

5. فسر

هل فوتونات الضوء المرئي فقط هي التي تؤخذ بعين الاعتبار عند دراسة التأثير الكهروضوئي؟ لماذا؟

6. لخص

نص مشاهداتك بدلالة طاقة الفوتونات.

الاستنتاج والتطبيق

1. استنتج

ماذا يحدث إذا اصطدم فوتونا ضوء أحمر بإلكتروني تكافؤ في اللحظة نفسها؟

اختبر توقعك.

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؟

3. استخلص النتائج

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

التوسع في البحث

استخدم الصيغة:

E = hf

حيث تمثل h ثابت بلانك، و f تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي، لحساب طاقة فوتون الضوء الأحمر، وقارنها بطاقة فوتون الضوء الأزرق.

الفيزياء في الحياة

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

كيف يعمل؟

كيف يعمل المجهر الأنبوبي الماسح؟

Scanning Tunneling Microscope?

اخترع العالمان جيرد بينج و هنرش روهرير عام 1981م المجهر الأنبوبي الماسح STM، وحصلا بعد خمس سنوات على جائزة نوبل في الفيزياء.

والمجهر الأنبوبي الماسح قادر على تصوير سطوح المواد بقوة تمييز تصل إلى المستوى الذري.

وقد مكن هذا العلماء من تكوين صور للذرات، كصورة ذرات السيليكون الظاهرة على الشاشة أدناه.

كيف يعمل STM؟

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
كيف_يعمل_المجهر_الأنبوبي_الماسح_STM.png

أجزاء وشرح الشكل

| الرقم | الشرح |
| ----: | --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- |
| 1 | يطبق فرق جهد على العينة المراد إظهارها. ويجب أن تكون العينة مادة موصلة. |
| 2 | يوضع رأس مجس مجهر STM قريبًا جدًا من العينة، حوالي 1 nm تقريبًا فوق السطح. وكما هو متوقع من خلال نظرية الكم، فإن بعض الإلكترونات تقفز بين سطح العينة ورأس المجس، وينتج عن حركة هذه الإلكترونات تيار كهربائي يقاس بالنانو أمبير. |
| 3 | يحرك نظام تحكم المجس فوق سطح العينة إلى الخلف والأمام وإلى أعلى وأسفل لمسحها. وبتثبيت المسافة بين السطح ورأس المجس يتولد تيار كهربائي ثابت. تسجل حركة رأس المجس إلى أعلى وأسفل وتحول إلى صورة. |

المسميات الموضحة في الشكل

| المسمى |
| --------------------------------- |
| مجس المجهر |
| 90% من التيار ينتج في هذه المساحة |
| قمع |
| d = 1 nm |
| سطح العينة |
| عينة |
| جهد |
| نظام تحكم |
| تكون صورة حاسوبية |

التفكير الناقد

1. كوّن فرضية

ما المسار الذي يسلكه التيار الكهربائي ليصل إلى الأرض إذا لم يكن المنزل مزودًا بمانعة صواعق في أثناء ضربة الصاعقة؟

2. قوّم

هل يجب أن تكون المقاومة بين الأرض ونهاية سلك مانعة الصواعق المتصل بها كبيرة، أم صغيرة؟

3. استنتج

ما المخاطر الناتجة عن التركيب غير الصحيح لنظام مانعة الصواعق؟