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 .