مقدمة في ميكانيكا الكم
الفوتونات: كمية الضوء > التأثير الكهروضوئي

المقالة الرئيسة: التأثير الكهروضوئي
في عام 1887 لاحظ هاينريش هيرتس أن باستطاعة الضوء إطلاق الإلكترونات من المعدن. وفي عام 1902 اكتشف فيليب أنتون لينارد أن الطاقة القصوى الممكنة للإلكترون الخارج أو المطرود ترتبط بتردد الضوء لا بشدته، فإذا كان التردد منخفضًا جدًا فلا يطرد أي إلكترون بغض النظر عن شدة الضوء ويسمى أقل تردد للضوء والذي يجعل الإلكترونات تنبعث من المعدن تردد العتبة ويختلف من معدن لآخر. وهذه الملاحظة على خلاف مع الكهرومغناطيسية الكلاسيكية التي تتنبأ بأن طاقة الإلكترون يجب أن تكون متناسبة مع شدة الإشعاع.
فسّر أينشتاين ذلك التأثير بافتراض أن حزمةً من الضوء هي عبارة عن تيار من الجسيمات (فوتونات)، فلو كان تردد هذه الحزمة f فإن طاقة كل واحد من هذه الفوتونات تعادل hf. فمن المحتمل أن يصطدم الإلكترون بفوتون واحد فقط والذي غالباً ما ينقل طاقة hfإلى الإلكترون؛ وبناء على ذلك فإن لا يكون هناك تأثير لشدة هذه الحزم الضوئية ليس لها أي تأثر، فقط ترددها هو من يحدد الطاقة القصوى التي يمكن نقلها إلى الإلكترون.
ولشرح تأثير العتبة، قال إينشتاين بأن إطلاق إلكترون من معدن يحتاج إلى كمية معينة من الطاقة يرمز لها بـ φ. تختلف كمية هذه الطاقة باختلاف نوع المعدن وإذا كانت طاقة الفوتون أقل من وظيفة العمل فحينها يكون لا يحمل طاقة كافية لإطلاق الإلكترون من المعدن وتردد العتبة f0 هو تردد الفوتون الذي طاقته مساوية لوظيفة العمل.
وإذا كان f أكبر من f0 فتكون طاقة hf كافية لإطلاق الإلكترون ويحمل الإلكترون المقذوف طاقة متحركة EK والتي غالبًا ما تكون مساوية لطاقة الفوتون ناقص الطاقة اللازمة لطرد الإلكترون من المعدن.
وصف أينشتاين للضوء على أنه يتكون من جزيئات تعزز فكرة بلانك للطاقة الكمية: حيث أن الفوتون الواحد من تردد معطى د ينقل كمية ثابتة من الطاقة هـ د. بمعنى آخر فإن الفوتون الواحد يستطيع نقل طاقة أكثر أو أقل وذلك يعتمد على تردده فقط وبالرغم من أن الفوتون جزيء لكنه يوصف على أنه يحمل خصائص الترددات الموجية ومرة أخرى تم تسوية حساب جزيئات الضوء [10].
العلاقة ما بين تردد الإشعاع الكهرومغناطيسي وطاقة كل الفوتون الواحد هي السبب في أن الأشعة فوق البنفسجية يمكنها أن تسبب ضربة الشمس وهذا ما لا يمكن للضوء المرئي أو للأشعة تحت الحمراء فعله يمكن لفوتون الأشعة الفوق البنفسجية أن يولد كمية عالية من الطاقة تكفي في أن تساهم في تلف الخلايا مثل ما يحدث في ضربة الشمس.
أما فوتون ضوء الأشعة تحت الحمراء فهو يولد كمية أقل من الطاقة مما يكفي لتدفئة الجلد فقط فلذل، يمكن لمصباح الأشعة تحت الحمراء أن يقوم بتدفئة سطح كبير يكفي لجعل الناس يشعرون بالراحة في غرفة باردة ولكن لا يمكنه أن يسبب ضربة الشمس لأي شخص.
إذا كان كل فوتون منفرد له طاقة متطابقة فليس من الصواب الحديث عن «الطاقة العالية» للفوتون، الضوء ذو التردد العالي قد يحمل طاقة أكثر فقط لفيضان السطح بوصول فوتونات أكثر في الثانية الواحدة، الضوء ذو التردد المنخفض قد يستطيع حمل طاقة أكثر للسبب عينة، إذا كان ذلك صحيحًا أن كل الفوتونات تحمل نفس الطاقة فإنك لو ضاعفت نسبة وصول الفوتون ستضاعف عدد وحدات الطاقة التي تصل في الثانية الواحدة.
رفض إينشتاين النهج التقليدي المعتمد على الموجة بتأييده للتحليل القائم على الجسيمات حيث أن طاقة الجسيم قطعًا تختلف تبعًا للتردد في خطوات منفصلة (مكماة) كل الفوتونات ذات التردد نفسه لها طاقة متطابقة وكل الفوتونات ذات الترددات المختلفة لها طاقات مختلفة بالتناسب مع ترددها.
في الطبيعة ونادرًا ما تصادف الفوتونات الفردية، الشمس تبعث الفوتونات بشكل مستمر في جميع الترددات الكهرومغناطيسية لذلك يبدو أنها تنتشر كموجة مستمرة وليس كوحدات منفصلة، مصادر الانبعاثات المتاحة لهيرتز وينارد في القرن التاسع عشر شاركت هذه الخاصية، فنجم يشع ضوءا أحمر أو قطعة حديد في حداد تشع بإحمرار يمكن أن نقول عنهما أنهما يحتويان على قدر كبير من الطاقة.
يمكن التخمين بأن إضافة الاستمرارية لمجموع الطاقة لبعض الأجسام المشعة يجعلها تُشع ضوءاً أحمر، ضوءاً برتقالي، ضوءً أصفرا، َضوءً أخضر، ضوءً أزرق، ضوءً بنفسجي، وهلم جرًا بهذا النظام
ولكنها ليست على هذة الشاكلة فالنجوم الكبيرة والقطع الحديدة الكبيرة في الحدادة حينها من الضروري أن تتوهج بألوان أكثر قربة نحو البنفسجي نهاية الطيف لتغير لون جسم مشع مِماثل من الضروري أن تغير حرارتة، إن الازدياد في الحرارة تٌغِير حصة الطاقة المتاحة لتحفيز الذرات الاحادية لمستويات أعلى تمكنهم من بعث فوتونات بترددات عالية.