في عام 1905 طرح اينشتاين ورقة بحث علمي لحل معضلة التأثير الكهروضوئي، التي لم تستطع النظريات الكلاسيكية تفسيرها. كان اينشتاين بلا شك على إطلاع على أفكار بلانك الجديدة في تفسير إشعاع الجسم الأسود. لقد بين بلانك أن ذرات الجسم الأسود تمتص الأشعة الساقطة عليها على هيئة كمات، ومن ثم تصدر أشعة كهرومغناطيسية أيضا على شكل كمات. لكن بلانك وكباقي الفيزيائيين اعتقد أن هذه الأشعة في حال صدورها تأخذ شكل موجات كهرومغناطيسية، وهنا يكمن النقص الذي لاحظه اينشتاين في عدم القدرة على تفسير الظاهرة الكهروضوئية.

افترض اينشتاين أن الضوء يتكون من حبيبات صغيرة جدا من الطاقة، وتكون هذه الطاقة مكممة، أي تصدر في الفراغ وتمتص على هيئة كمات، تماما كما افترض بلانك ما يحدث في ذرات الجسم الأسود يطلق على حبيبات الضوء التي افترضها اينشتاين اسم (الفوتونات) Photons كل واحد من هذه الفوتونات يحمل طاقة تتناسب مع تردد الإشعاع v، تعطى كالتالي:

نلاحظ مباشرة أن هذه المعادلة هي نفسها المعادلة (12-1) التي اقترحها بلانك لحالات الطاقة التي تتواجد فيها المهتزات الذرية في جدران الجسم الأسود.

اقترح اينشتاين أن الإلكترون الواحد الموجود في المعدن يقوم بامتصاص فوتون واحد، ومن ثم يستخدم الإلكترون طاقة الفوتون للتخلص من ارتباطه بسطح المعدن والخروج على هيئة طاقة حركة توصل اينشتاين إلى المعادلة النهائية التي تحكم ظاهرة التأثير الكهروضوئي، وهي:

حيث Φ تسمى دالة الشغل، وهي تعبر عن مدى ارتباط الإلكترون بسطح المعدن. ترتبط دالة الشغل بتردد العتبة بالعلاقة التالية:

وهذه العلاقة تفسر لماذا كان تردد العتبة هو أقل تردد ممكن لنزع الإلكترون من موقعه في الذرة، دون إعطائه أي طاقة حركة.

بهذه الافتراض البسيط تغلب اينشتاين على جميع المشاكل التي واجهت النظرية الكلاسيكية. أولا طاقة الحركة العظمى للإلكترونات تعتمد على تردد الضوء الساقط لا على شدته. إن طاقة الإلكترون تعتمد على طاقة الفوتون، وهذا بدوره يعتمد على تردد الضوء، أما زيادة شدة الضوء فتعني فقط زيادة عدد الالكترونات، لكن إذا كانت هناك شدة بدون تردد عالي، لن ينبعث اي إلكترون. ثانيا يفسر تردد العتبة على انه اقل تردد ممكن حتى تخرج الالكترونات من مواقعها في السطح المعدني. ثالثا: تفسر الفترة الآنية بين سقوط الضوء وانتزاع الالكترونات بفكرة الفوتونات، فالموقف هنا يشبه ضرب كرة بلياردو بأخرى وتحريكها بشكل آني.

مما هو جدير بالذكر هنا، هو أن اينشتاين لم يكن أول من فكر بالضوء على انه سيل من الجسيمات، بل كان نيوتن Newton هو أول من اقترح هذه الفكرة. لكن ماكسويل Maxwell برهن فيما بعد رياضيا على ان الضوء موجة كهرومغناطيسية ولها سرعة ثابته في الفراغ، وهي سرعة الضوء. وتعتبر هذه القصة مثيرة جدا بالنسبة لكتاب الفيزياء. فإذا كنت على إطلاع واسع على كتب الفيزياء الأدبية، فلا بد أنك قد صادفتها كثيرا لكن يجب ألا يفهم بأن نيوتن قد وضع فكرة الفوتونات كما في نظرية اينشتاين بل كان نوع من الحدس النظري، إذ يختلف الوضع كثيرا في عهد اينشتاين، الذي زادت فيه التجارب بين الضوء والمادة بشكل كبير.

لقد كان فشل النظريات السابقة في تفسير التأثير الكهروضوئي ونجاح نظرية اينشتاين بمثابة الرصاصة الثانية على قوانين الفيزياء الكلاسيكية، بعد رصاصة بلانك. لقد استخدم الاثنان نفس الدستور وهو:

E = hv

ومن الآن فصاعدا سنطلق على هذه العلاقة اسم دستور بلانك – اينشتاين.

كان اينشتاين يعتقد بأنه لا يخالف قوانين الفيزياء الكلاسيكية أبدا، بل يتممها. لكن سنرى فيما بعد وعند الانتقال إلى القسم الفلسفي من هذه النظرية كيف أن اينشتاين والذي يعتبر من المؤسسين الأوائل لنظرية الكم، بات العدو اللدود لها.

مواضيع ذات صلة

Linear systems

Confined waves, with natural frequencies

The reflection of waves

Einstein’s laws of radiation

The Boltzmann law

Energy levels

The size of an atom

Bremsstrahlung

Synchrotron radiation

Radiation damping

The rate of radiation of energy

Radiation resistance