البحث التاسع عشر
الفوتون و أفعاله المتبادلة مع المادة
أولاً : الفوتون
تجربة هرتز :
نأخذ صفيحة نقيمة من التوتياء و نضعها فوق قرص كاشف كهربائي ولنجري يجربة على ثلاثة مراحل :
المرحلة الأولى : نشحن الصفيحة سلبياً فتنفرج وريقتا الكاشف و لنضيئ الصفيحة بضوء صادر عن قوس كهربائية فنجد أن وريقتا الكاشف تنطبقان
المرحلة الثانية : نضع بين الصفيحة المشحونة سالبياً و منبع الضوء لوحاً زجاجياً ثخيناً فنجد أن وريقتا الكاشف لا يتغر انفراجهما
المرحلة الثالثة : نشحن الصفيحة بشحنة موجبة و لنسلط عليها الضوء السابق فنجد أن وريقتا الكاشف لا يتغير انفراجهما
تعليل تجربة هرتز :
الضوء الصادر عن القوس الكهربائية يتألأف من أشعة مرئية و تحت حمراء و فوق بنفسجية و الأشعة فوة البنفسجية فقط تجمل طاقة كافية لانتزاع الالكترون
ــ في المرحلة الأولى تتنافر الالكترونات السالبة المنتزعة مع الشحنة السالبة لصفيحة التوتياء حتى تتعدل فتنطبق وريقتا الكاشف
ــ في المرحلة الثانية لوح الزحجاج يمنع الأشاعة فوق البنفسجية و يسمح بمرور الأشعة المرئية و تحت الحمراء التي لا تحمل طاقة الانتزاع
ــ في المرحلة الثالثة الصفيحة المشحونة ايجابياً تجذب الالكترونات المنتزعة من جديد لذلك لا يتغير انفارج وريقتا الكاشف
فرضية انشتاين :
ينتشر الضوء كأمواج كهرطيسية و يواكب انتشارها كميات منفصلة من الطاقة تدعى كل منها فوتون يوافق اشعاع كهرطيسي تواتره ن وطاقته طفو = هـ ن و طاقة الفوتون تكافئ كتلة تحسب من علاقة انشتاين ك = طفو .
سض2
خواص الفوتون :
أ – الفوتون جسيم عنصري :
ــ ينتشر بسرعة الضوء في الخلاء 3 × 810 م/ثا
ــ غير مشحون
ــ طاقته طفو = هـ ن
ــ كمية حركته كه = ك سض
= طفو × سض
سض2
كه = طفو = هـ ن  كه = هـ .
سض طم ن طم
ب – يرتبط الفوتون بموجة كهرطيسية تواترها ن و استطاعتها عه = ن هـ ن
ن : عدد الفوتونات الساقطة التي يلتقطها السطح المضاء في كل ثانية


ثانياً : الفعل الكهرضوئي
هو تبادل غير مرن بين فوتون و الكترون يحدث فيه انتزاع للالكترونات من مادته بتأثير اشعاع كهرطيسي مناسب
الحجيرة الضوئية :
تتألف من :
حبابة زجاجية من الكوارتز مفرغة من الهواء تقريباً تحوري على مسريين
1) المسرى الأول يدعى المهبط الضوئي ( ط ) يتألف من صفحية من الفضة رسب عليها طبقة رقيقة من معدن قلوي
2) المسرى الثاني يدعى المصعد ( م ) و مؤلف من سلك أو حلقة معدنية تعمل على تجميع الالكترونات الصادرة عن المهبط بالفعل الكهرضوئي و يرمز لها بالرمز

تأثير التوتر فم ط على شدة التيار في دارة الحجيرة الكهرضوئية :
نضيئ مهبط حجيرة ضوئية بضوئ مناسب وحيدة اللون تواتره ن واستطاعته ثابتة و لنرسم الخط البياني الملمثل لتغيرت شدة تيار الحجيرة فم ط فنلاحظ ما يلي :
ــ عندما يكن فم ط = 0 يمر تيار في دارة الحجيرة
لأن بعض الالكترونات المنتزعة من مادة المهبط
تحمل طاقة حركية كافية لوصولها إلى المصعد
ــ عندما يكون فم ط > 0 يعمل الحقل الكهربائي
على جذب عدداً من الالكترونات نحوى المصعد
لتزداد شدة التيار في دارة الحجيرة تدريجياً و لنصل
إلى فيمة عظمى شء من كمون فء و ذلك لأن المصعد جذب جميع الالكترونات الصادرة عن المهبط
ــ عندما يكون فم ط < 0 يعمل الحقل الكهربائي المتولد على دفع بعض الالكترونات عن المصعد فتتناقص شدة التيار إلى أن تنعدم من أجل قيمة سالبة للكمون ( - فء ) تدعى بكمون الايقاف لا يستطيع عندها أي الكترون الوصول إلى المصعد
عتبة الاصدار :
نتيجة الفعل المتبادل بين الفوتون و الالكترون يقدم الفوتون كامل طاقته للالكترون وفق ثلاثة احتمالات
الاحتمال الأول : طفو < طع  هـ ن < هـ نع  ن < نع لا ينتزع الالكترون
الاحتمال الثاني : إذا كان طفو = طع  هـ ن = هـ نع  ن = نع ينتزع الالكترون
الاحتمال الثالث : أذا كان طفو > طع  هـ ن > هـ نع  ن > نع ينتزع الالكترون و يكتسب طاقة حركية أي أن :
طفو = طع + طح  طح = طفو – طع = هـ ن – هـ نع = هـ ( ن – نع ) = هـ ( سض – سض )
طم طمع
طح = هـ سض ( 1 - 1 )
طم طمع
إذا الفعل الكهرضوئي لا يحدث إلا بإشعاع ضوئي تواتره ن أكبر من حد معين ( عتبة الإصدار ) و يتم ذلك الفعل آنياً وفيه تتناسب الطاقة الحركية العظمى للالكترونات المنتزعة طرداً مع زيادة تواتر الاشعاع المستعمل عن تواتر عتبة الإصدار


تأثير الاستطاعة الضوئية على تيار الحجيرة الكهرضوئية :
نضيئ حجيرة بضوء مناسب وحيد اللون تواتره ن ثابت ولنغير من استطاعة الحزمة الساقطة على المهبط فنلاحظ مايلي :
ــ كمون الايقاف يبقى نفسه في كل حالة
ــ السرعة العظمى للالكترونات لا تتعلق
باستطاعة الحزمة الساقطة
ــ تزداد شدة تيار الاشباع بإزدياد استطاعة الحزمة لاضوئية الساقطة لأن ذلك يزيد من عدد الفوتونات الذي يلتقطها المهبط في كل ثانية مما يسبب زيادة في عدد الالكترونات المنتزعة و بالتالي تزاد شدة تيار الاشباع
تطبيقات الفعل الكهرضوئي :
ــ الأجهزة آنية الحركة
يسقط الضوء على الحجيرة فتغلق الدارة لتجذب
الحافظة الحديدية ( ح ) فتكون الدارة الثانية مفتوحة
فإذا اجتاز جسم ما الحيز المحصور بين المنبع الضوئي
و الحجيرة فتفتح الدارة الأولى ليترك المغناطيس الكهربائي
الحافظة ( ح ) و بتأثير النابض ( ن ) ترتفع القطعة ( ق )
مغلقة الدارة الثانية ليدور المحرك ( م ) الذي يستمل في فتح باب صالة أو مصعد أو - - - -
ــ استعادة الوت المسجل ضوئياً في السينما
ــ الحواسب الالكترونية
ثالثاً : فعل كومبتون
الفعل المتبادل المرن بين فوتون و الكترون :
ــ الفعل المتبادل غير المرن بين وفوتون و الكترون معدن حيث يقدم الفوتون كامل طاقته للالكترونات و تكون طاقة الفوتون أكبر بقليل من طاقة ارتباط الالكترون بالمعدن
ــ الفعل المرن بين فوتون و الكترون معزول فيه طاقة الفوتون أكبر بكثير من طاقة ارتباط الالكترون بالذرة غير المعدنية
تجربة كومبتون :
اسقط كومبتون حزمة من الأشعة السينية تواترها ( ن ) و طول موجتها ( طم ) و طاقة فوتوناتها كبيرة على لوح من الكرافيت فلاحظ :
ــ الكترونات تنتطلق من السطح المقابل للسطح الذي اسقطت عليه الأشعة و بجهة سقوط الأشعة أما في الفعل الكهرضوئي تصدر الالكترونات عن السطح نفسه لاذي يسقط عليه الأشعة و بجهة معاكسة لجهة سقوط الأشعة
ــ فوتونات تنتثر بطاقة أقل من طاقة الفوتونات الساقطة
يعلل ذلك بأن فوتونات الاشعة السينية أعطت جزءاً من طاقتها إلى الاكترونات التي تصادمت معها صدماً تام المرونة فتكتسب تلك الالكترونات طاقة حركية كافية للخروج من الاكرافيت بينما بالفعل الكهرضوئي يمتص الالكترون كامل طاقة الفوتون و يحتفي الفوتون
طفو + 0 = طفو + طح
قبل الصدم بعيد الصدم
كذلك بحسب مصونية كمية الحركة نكتب :
كهفوتون + 0 = كهفوتون + كهالكترون

رابعاً : الأشعة السينية
توليد الأشعة السينية :
تولد بطريقة المهبط الساخن ( أنبوب كوليدج ) تتجه الكترونات الأشعة المهبطية نحوى مقابل المهبط الموجب فتصدمه بسرعة عالية تعتمد على فرق الكمون المطبق بين المصعد و الهبط فتنبعث من مقابل المهبط أشعة سينية و هي عبارة عن أمواج كهرطيسية تواكبها فوتونات طاقتها عالية .
ــ لقد وجد أن ( 1% ) من الالكترونات السريعة المتجهة نحوى مقابل المهبط تتحول كل طاقتها الحركية إلى أِعة سينية نتيجة اصطدامات عنيفة و مباشرة مع مادة مقابل المهبط و ( 99% ) من الالكترونات الباقية تتحول إلى طاقتها الحركية إلى طاقة حرارية يسخن مقابل المهبط لذلك يحب تبريده باستمرار
ــ غالباً ما تكون طاقة الفوتونات أصغر من الطاقة الحركية للالكترونات
طفو < طح  هـ ن < 1 ك سر2
2
أما إذا تم التصام مباشرة فإن :
طفو = طح  هـ ن = e ف  هـ سض = e ف  طم = هـ سض
طم e ف
علاقة أصغر طول موجة للأشعة السينية
اصدار الأشعة السينية تكون بعكس الفعل الكهرضوئي علل ذلك ؟
في الأولى ترد الالكترونات سريعة فتتحر أمواج كهرطيسية تواكبها فوتونات و في الثانية ترد فوتونات تواكبها أمواج كهرطيسية فتحرر الالكترونات
خواص الأشعة السينية :
تسبب التألق : بحيث إذا سقطت على لوحة مطلية بكبريت التوتياء تتألق في الظلام بلون أخضر و يستفاد من هذه الخاصة في الكشف عن الأشعة السينية
تشبه الضوء المرئي : بما يعانيه من تداخل و انعراج و انتشار مستقيم و هي لا تتأثر بالحقل الكهربائي و المغناطيسي مما يدل على أنها لا تحمل شحنة
تؤثر في الأنسجة الحية : حيث تخرب الخلايا الحية إذا استمر تعرضها الطول للأشعة السينية و يظهر التخريب على شكل حروق عميقة و خطيرة
تشرد الغازات : تحمل فوتونات الأشعة السينية طاقة كبيرة و كافية لتشريد الغاز الذي تخترقه فإذا سقطت حزمة من الأشعة السينية في الهاء على كرة كاشف كهربائي مشحون فرغت شحنته بسبب تشريد الهواء المحيط بالكرة فتجذب الكرة الشحنات المخالفة لشحنتها مما يسبب اعتدال الكاشف
نفوذها و امتصاصها : تمتص بعض المواد الأشعة السينية أكثر من بعضها الآخر و تختلف شدة نفوذيتها بحسب :
ــ تأثير ثخن المادة بحيث تضعف الأشعة النافذة و يزداد امتصاصها بإزدياد ثخن المادة
ــ تأثير كثافة المادة حيث يزداد امتصاص الأشعة السينية بإزدياد كثافة المادة لذلك تخترق الأشعة السينية الجلد و اللحم في حين لا تنفذ من الرصاص و الذهب و قد استغلت هذه الخاصة في التشخيص الطبي عن طريق تصوير أعضاء الجسم بالأشعة السينية
ــ تأثير الأشعة السينية تتعلق نفوذية الأشعة السين بطاقتها المرتبطة بفرق الكمون المطبق على أنبوب توليدها و لهذه الأشعة ثلاثة أنواع :
1) أشعة قاسية جداً شدية النفوذ أطوال أمواجها قصيرة جداً
2) أشعة قاسية أقل نفوذية من سابقتها
3) أشعة ذات نفوذية أقل و امتصاص أكبر
خامساً : أشعة الليزر
تعريف الليزر : كلمة تعني تضخيم الضوء بالإصدار المحثوث للأشعة
الإصدار العفوي : عندما تثار ذرة بتقديم ذرة مناسبة ترفع الكتروناً من السوية ط1 إلى سوية ط2 و عندما يعود إلى سوية الطكاقة الأدنى ط1 يصدر ضوءاً تواتره ن
Δ ط = هـ ن
ط2 – ط1 = هـ ن حي تتحكم الصدف في العودة التلقائية لذلك يدعى اصدار عفوي

الاصدار المحثوث :
عند إدخال فوتون خارجي إلى ذرة مثارة تواترها ن و طاقته هـ ن تساوي تماماً الطاقة التي يعطيها الجسيم المثار عند عودته من السوية ط2 إلى سوية الطاقة الأدني مع تحريد فوتون جديد له نفس التواتر و بهذا يصدر عن الجملة فوتونان لهما نفس التواتر و الطاقة و متفقان بالصفحة إن هذين الفوتونين يعملان على عودة جسيمين مع تحرير فوتونين فإذا تكررت العملية بتسلسل ع مرة تضخم الضوء الذي أدخلناه 2ع نرة و هكذا نحصل على عدد هائل من الفوتونات المماثلة للفوتون الوحيد الذي أدخلناه أي لهما نفس التواتر ( التماسك الزماني ) و لهما نفس الصفحة ( تماسك زماني )
ــ و لكي يكون الاصدار المحثوث فعال يجب أن يكون عدد الجسيمات الموجودة في السوية المثارة أكبر من عدد الجسيمات الموجودة في السوية الدنيا و يتم ذلك بالضخ الضوئي بأن نضيف الجملة بومضة وحيد اللون فتتهيئ الظروف لكيون دخول الافوتون المناسب سبباً لتوليد الفوتونات المماثلة له و لكي يزداد يجب إطالة المسير الضوئي باستعمال مرأتين متقابلتين و جههما العاكس نحوى المادة الفعال ة بحيث يتم عليهما انعكاسات متعاقبة
أجهزة الليزر :
يشترط في جهاز الليزر توافر الأجزاء التالية :
1) المادة الفعالة : وهي الوسط المادي المولد للاشعة المحثوثة
2) جملة الضخ الضوئي : تتكون من وماض عادي
3) جملة التضخيم الضوئي ( المجاوبة الضوئية ) تتكون من مرأتين مستويتين وجههما العاكس نحوى المادة الفعالة .
جهز الليزر الياقوتي :
يتألف من بلورة الياقوت الصعني تحوي ( 95% من تركيبها أومسيد الألمنيوم و 5% من شوارد الكروم Cr2o3 ) و جهاها الطرفيان مصقولان تشكلان جملة التضخيم الضوئي و تؤلف شوارد الكروم المادة الفعالة و الضخ الضوئي يتم بإفراغ كهربائي حلزوني
جهاز الليزر الغازي :
عبارة عن أنبوب مغلق من الكوارتز يحوي على مزيج من ( 90% He و 10% Ne ) و يؤلف النيون المادة الفعالة و جملة التضخيم الضوئي فيه عبارة عن مرآتين مستويتان في طرفي الأنبوب أما الضخ الضوئي يتم إفراغ كهربائي يطبق على مسريي الأنبوب
بعض استعمالات الليزر :
1) في الطب : يستخدم في عمليات الجراخة الدقيقة مثل جراحة العين و الأورام الخبيثة
2) في الصناعة : يستخدم في ثقب كتل معدنية ضخمة و بلورات الماس
3) في الزراعة : مبيد حشري جرثومي
4) في الحرب : وسيلة تدميرية فتاكة
5) في الاتصالات بالأقمار الصناعية
ملاحظة : للتحويل من جول إلى الكترون فولط نقسم على شحنة الالكترون ( e )