الطبيعة الجسيمية للضوء :
الحاجة إلى الفيزياء الحديثة :
عندما فشلت الفيزياء الكلاسيكية في تفسير كثير من الظواهر الفيزيائية مثل الظاهرة الكهروضوئية وظاهرة كومبتون وظاهرة الأطياف الذرية وإشعاع الجسم الأسود .
كان لا بد من البحث عن نماذج أخرى لفيزياء حديثة تفسر مثل هذه الظواهر رغم أن الفيزياء الكلاسيكية فسرت ظواهر ونجحت في تفسيرها مثل ظاهرتي التداخل والحيود وظاهرتي الانعكاس والانكسار .
تعريف الجسم الأسود : هو ذلك الجسم المثالي الذي يمتص جميع الأشعة الكهرومغناطيسية الساقطة عليه بغض النظر عن تردداتها ويشعها أيضا بالكفاءة نفسها وتعتمد مقدار الطاقة التي يشعها على درجة حرارته .
وعند النظر إلى العلاقة البيانية ما بين شدة الإشعاع والطول الموجي نستنتج .
1) أن شدة الإشعاع يتزايد مع تزايد شدة الحرارة ويتناسب معها طرديا
2) القيمة العظمى لشدة الإشعاع تنزاح نحو الطول الموجي الأقصر أي التردد الأكبر
العالمان رايلي وجينز استخدما الفيزياء الكلاسيكية لتفسير إشعاع الجسم الأسود بناء على قوانينها التي ارتكزت على أن الأجسام تشع الطاقة وتمتصها بأي مقدار وعند أي تردد وهذا يعني أن امتصاص الطاقة يكون متصلا وأن الطاقة التي تحملها الموجه تعتمد على سعتها (شدتها ) لا على ترددها
إن نموذج رايلي وجينز اتفقا مع الأطوال الموجية الكبيرة (منطقة الأشعة تحت الحمراء وأظهر عدم توافق في منطقة الأطوال الموجية القصيرة (الأشعة فوق البنفسجية ) … حيث إن شدة الإشعاع تؤول إلى المالانهاية عندما يطول الموجي إلى الصفر وهذا ما يعرف باسم كارثة الأشعة فوق البنفسجية .
تفسير ماكس بلانك لإشعاع الجسم الأسود ومبدأ تكمية الطاقة :
تمكن ماكس بلانك من وضع صيغ رياضية تصف شدة إشعاع الجسم الأسود مثل
حيث افترض أن الإشعاع يكون على شكل كميات محددة غير متصلة (منفصلة ) سميت كمة والمعادلة السابقة لحساب طاقة الكم وتمثل هذه المعادلة أصلا مبدأ تكمية الطاقة .
نص مبدأ تكمية الطاقة أن الطاقة التي يشعها الجسم أو يمتصها تكون من مضاعفات طاقة الكمة
الظاهرة الكهروضوئية :
هي ظاهرة يتم فيها إسقاط ضوء مناسب ( بتردد معين ) على سطح فلز حساس وتنبعث منه إلكترونات ضوئية .
للحصول على تيار كهروضوئي من الإلكترونات الضوئية نستخدم خلية كهروضوئية تتكون من انتفاخ زجاجي مفرغ من الهواء , باعث ( مهبط ) وجامع ( مصعد ) ومايكرو أميتر
ترتبط الإلكترونات بالفلز ( الباعث ) بطاقة تسمى اقتران الشغل رمزها حيث
حيث تردد العتبة
إذا كان تردد الضوء أكبر من تردد العتبة يسمى الضوء مناسب حيث تنطلق إلكترونات من الباعث وتكتسب طاقة حركية
إذا كان تردد الضوء يساوي تردد العتبة فإن الإلكترونات تتحرر دون أن تكتسب طاقة حركية ( الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات تساوي صفر )
إذا كان تردد الضوء أقل من تردد العتبة لا تتم الظاهرة ولا تنبعث إلكترونات
معادلة أينشتاين للظاهرة الكهروضوئية تكتب على الصيغة التالية
تجربة ميليكان :
استخدم ميليكان أشعة كهرومغناطيسية بترددات مختلفة وقام بقياس جهد الإيقاف ورسم علاقة بيانية بين الطاقة الحركية العظمى للإلكترونات والتردد وحصل على رسم بياني مفاده أن الطاقة الحركية العظمى تتناسب طرديا مع التردد وأن الإلكترونات لا تنبعث إلا إذا كان تردد الضوء الساقط أكبر من تردد العتبة للفلز حيث إنه تحقق من علاقة أينشتاين السابقة وميل الخط يمثل ثابت بلانك . ونقطة تقاطع المنحنى مع محور الطاقة الحركية يمثل سالب اقتران الشغل ونقطة تقاطع المنحنى مع محور التردد يمثل تردد العتبة وقد أثبت أينشتاين أيضا أن زيادة شدة الضوء الساقط تزيد من قيمة التيار
ظاهرة كومبتون
قام كومبتون بعمل تصادم ما بين فوتون ساقط من أشعة سينية على إلكترون ساكن من هدف من الجرافيت
حيث لاحظ ما يلي : يتشتت الفوتون الساقط بعد تصادمه مع الإلكترون بزاوية وبطول موجي أكبر من الطول الموجي قبل التصادم وبالسرعة نفسها وبتردد أقل ويمكن التعبير عن الطاقة التي يكتسبها الإلكترون التي تساوي طاقة الفوتون قبل التصادم - طاقته بعد التصادم كما في المعادلة التالية :
سؤال: ما الفرق بين تفاعل الفوتون مع الإلكترون في ظاهرة كومبتون وتفاعله مع الإلكترون في الظاهرة الكهروضوئية؟ الظاهرة الكهروضوئية أن الفوتون يعطي جزءاً من طاقته إلى الإلكترون ويتشتت الفوتون بطاقة أقل وبطول موجي أكبر وبسرعة تساوي سرعته قبل التصادم أما في الظاهرة الكهروضوئية فإن الإلكترون يعطي طاقته كاملة للإلكترون حيث ينبعث من الفلز وهذا إثبات آخر على أن الفيزياء الكلاسيكية فشلت في نموذجها الموجي في تفسير ظاهرة كومبتون في حين نجح النموذج الجسيمي في تفسيرها .