الطبيعة المزدوجة للضوء

 أن ظاهرة التأثير الكهرضوئي هزت النظرية الموجية للضوء ، فما هي ظاهرة التأثير الكهرضوئي ، وكيف هزت النظرية الموجية للضوء :

‏في أواخر القرن التاسع عشر ، لاحظ العلام ولهم هولووش (wilheim Hallwachs) انه اذا سلط ضوء ذو تردد مناسب على سطوح بعض الفلزات كالزنك والبوتاسيوم والصوديوم ، فإن هذه سطوح تصدر الكترونات تسمى بالفوتو الكترونات أو الالكترونات الضوئية ، وعند ما حاولت النظرية الموجية تفسير حدوث هذه الظاهرة عجزت عن ذلك ، اذ أن الطاقة الضوئية اذا وزعت على سطح الموجة بانتظام ، فان حصة الإلكترون التي تسقط عليه تكون أقل من الطاقة التي يحتاجها لتحريره من السطح للوجود فيه . ولكن كيف تم تفسير هذه الظاهرة ؟

‏في عام 1900 م توصل العالم الألماني ماكس بلانك (Max Plank) أن ذرات أو جزيئات الجسم الساخن لا تشع إشعاعا متصلا ، بل يكون إشعاعها الكهرمغناطيسي على شكل دفقات أو نبضات من الطاقة. وهذ الدفقات أو النبضات متقطعة وغير متصلة . ولكل دفقة أو نبضة طاقة محددة ، وقد اطلق بلانك على هذه النبضة من الطاقة 1سم (Quantum) أو كمة ، ومن ثم اطلق عليها اسم فوتون (Photon). ولكل فوتون طاقة محددة E)) تعتمد على تردد الإشعاع الكهرمغناطيسيf) ). وهذه الطاقة تعطى بالعلاقة : E=hf

‏حيث (h) ‏هو ثابت بلانك ويساوي (في النظام العالمي للوحدات)

h = 6.624×10^-34 Joules . sec

‏وقد لفتت نظرية الكم هذه أنظار العلماء فاستخدمها أينشتين في تفسير ظاهرة التأثير الكهرضوئي عام 1905 ‏، فقال أن الإلكترونات الموجودة في سطح المعدن تقوم بامتصاص طاقة الفوتونات الساقطة عليها ؛ فإذا كانت الطاقة اللازمة لتحرير الإلكترون من سطح الفلز هي (Φ‏) (تسمى هذه الطاقة دالة الشغل) ، وكان طاقة الفوتون (E‏) أكبر من (Φ‏) ، فإن الإلكترون يتحرر من سطح الفلز ، والفرق بين (Φ) و (E‏) يظهر بشكل طاقة حركة يكتسبها الإلكترون بعد تحرره من سطح الفلز ، أي أن :

E_k = E - Q = hf - Q

حيث E_k  هي طاقة حركة الالكترون

‏أما اذا كانت طاقة الفوتون (E) تساوي (Φ) تماما ، فإن الإلكترون يتحرر دون أن يمتكل طاقة حركة ، ويكون تردد الفوتون في هذه الحالة هو اقل تردد يكفي لتحرير الالكترون من سطح الفلز ، ومن هنا سمي هذا التردد تردد العتبة (Threshold Frequency) . أما اذا كانت طاقة الفوتون أقل من (Φ) (وبالتالي ، فان تردد الفوتون اقل من تردد العتبة) ، فإن الالكترون لا ينفلت من سطح الفلز .

‏ويجدر القول انه اذا زادت شدة الضوء الساقط على سطح الفلز ، فان عدد الالكترونات المنبعثة منه يزداد ، ونلك راجع إلى انه بزيادة شدة الضوء يزداد عدد الفوتونات الساقطة على سطح الفلز في وحدة الزمن ، وبالتالي فان إلكترونات اكثر تنفلت منه .

‏وكما استطاعت نظرية الكم تفسير ظاهرة التأثر الكهرضوئي ، فإنها أفلحت في تفسير ظاهرة كومبتون . وتتلخص ظاهرة كومبتون في انه اذا سلط ضوء على إلكترونات فإنه يؤدي إلى تبعثرها ولتفسير هذه الظاهرة افترض كومبتون ان فوتون بلانك عبارة عن جسيم تام المرونة ، وعليه فان ظاهرة كومبتون تؤكد الصفة الجسيمية للضوء .

‏وبما ان ظواهر التداخل والحيود والاستقطاب تؤكد الطبيعة الموجية للضوء فان العلماء بدأوا يرجحون أن للضوء طبيعة مزدوجة . وهذا يعني أن الفوتونات الضوئية تسلك سلوك الموجات وسلوك الجسيمات في أن واحد . ويبدو ان الطبيعة المزدوجة ليست وقفا على الضوء ، ففي عام 1924 ‏م وضع العالم دي بروي (De Broglie) فرضيته المشهورة والمسماة باسمه وبموجب هذه الفرضية ، يصاحب كل جسيم متحرك حقل موجي . وقد أثبتت التجارب العلمية صحة هذه الفرضية وتسمى الموجات التي ترافق الجسيمات المتحركة الموجات دي برولي) ويمكن حساب الطول الموجي لهذه الموجات بالاعتماد على علاقة دي برولي المشهورة :

حيث ʎ : هي الطول الموجي للموجات المصاحبة للجسيم .

h  : ثابت بلانك .

m‏_: كتلة الجسيم .

V : سرعة الجسيم ، p : كمية الحركة للجسيم .

‏وحيث أن الفوتونات الضوئية لها طبيعة جسيمية كما أسلفنا سابقا ، فإن علاقة دي برولي تنطبق عليها ، وبالتالي فان طول موجة الفوتون المصاحبة لكتلته هي :

‏حيث (m) كتلة الفوتون الذي يسير بسرعة الضوء تماما (e) . والجدير بالذكر أن التجارب العملية تثبت وجود كتلة للفوتون ، اذ ينتج ضغطا على الأجسام التي يسقط عليها .

مواضيع ذات صلة

The momentum of light

Polarization of scattered light

The electric vector of light

Scattering of light

Reflection and refraction

Light

لم يرتدي البحارة نظارات شمسية؟

أسرار قوس قزح

المفعول الكهروضوئي والنظرية الجسيمية والموجية:

الاضطراب في تفسير بنية الضوء (الطبيعة الجسمية الموجية للضوء)

الضوء

الضوء ومم يتالف