دالة الشغل

دالة الشغل في الكيمياء و الفيزياء (بالإنجليزية : work function ) هي أقل طاقة يحتاجها الألكترون لكي يُنتزع من سطح مادة صلبة . ويعني هنا مجرد انتزاع إلكترون ليصبح بعيدا عن باقي الذرات ولكنه يبقى على مقربة من السطح . تشكلن دالة الطاقة هذه إحدى الخواص النوعية للمادة .[1].

تتسم المادة الصلبة بتوزيع إلكتروني بين الذرات فيما يسمى نطاق توصيل . بالنسبة إلى ذرة منفردة تشغل إلكترونات الذرة غلافا حول نواة الذرة يعرف بالمدارات ، ويمكن للمدارات اتخاذ مستويات للطاقة محددة . أما في حالة الذرات في مادة صلبة فتشغل الإلكترونات الخارجية للذرات حيز التوصيل الذي يعتبر غلافا إلكترونيا جماعيا . وقد يكون نطاق التوصيل ممتلئ بالكامل أو قد يكون محدود الاكتمال . في المعادن يوجد داخل نظاق التوصيل ما يسمى مستوي فيرمي Fermi level ، مما يعني أن النطاق ليس مشغولا بالكامل بالإلكترونات .

أما في مادة غير موصلة للكهرباء يكون مستوى فيرمي في فتحة في نطاق التوصيل ، مما يعني أن نطاق التوصيل يكون فارغا من الإلكترونات . في تلك الحالة تكون الطاقة اللازمة لإخراج أحد الإلكترونات من المعدن مساوية لمجموع فتحة النظاق (طاقة الفتحة ) و الألفة الإلكترونية .
دالة الشغل الكهرضوئي

دالة الشغل هي أقل طاقة لا بد للإلكترون من الحصول عليها لكي يتحرر من سطح مادة معينة . وفي التأثير الكهرضوئي تتم إثارة الإلكترون عندما يمتص فوتونا ضوئيا . فإذا كانت طاقة الفوتون أكبر من دالة الشغل (النوعية) يتحرر الإلكترون ويغادر سطح المادة . والطاقة الزائدة عن طاقة تحرر الإلكترون تظهر على الإلكترون في صورة طاقة حركة.

وتعطى دالة الشغل الكهرضوئي بالمعادلة :

\phi=hf_0 \,

حيث :

h\, ثابت بلانك
and f_0\, هي أقل تردد للفوتون يمكنه إخراج الإلكترون من سطح المادة (تسمى تلك الظاهرة أيضا انبعاث كهرضوئي).

[عدل] نموذج غاز إلكترونات حرة

طبقا لنمودج الإلكترونات الحرة تحوم إلكترونات التكافؤ حرة داخل المعدن فيما يُشبه ببئر كولومي أو جهد كولومي U ينتهي عند سطح المعدن . وعندما يكون النظام في الحالة القاعية تكون المستويات ذات طاقة أقل من مستوى فيرمي مشغولة ، أما المستويات التي فوق طاقة فيرمي فلا تكون مشغولة بإلكترونات. وتكون الطاقة اللازمة لتحرير إلكترون من مستوى فيرمي (أي إخراجه من البئر) هي دالة الشغل .

(وصف شكل بئر كولوم وشغله بالإلكترونات (الشكل في الويكيبيديا الإنجليزية): تشغل الإلكترونات مستويات الطاقة في البئر من أسفل إلى أعلى . ويُصطلح أن تكون الطاقة عند فوهة البئر مساوية للصفر . أي أن الإلكترون المتحرر من البئر تكون له طاقة موجبة الإشارة (وهذا عادي بالنسبة لنا) ، وبالتالي تكون طاقة الإلكترونات المحبوسة في البئر فتكون إشارتها سالبة. ولنفترض ذرة بها 3 إلكترونات ، تبدأ الإلكترونات بشغل البئر من أسفل ، فيأخذ 2 إلكترون مستوي الطاقة 2s (طبقا لمبدأ استبعاد باولي) ويشغل الإلكترون الثالث مستوي طاقة أعلى فيكون شاغرا "لمستوى فيرمي ". فإذا كان عمق البئر U فيكون مستوى فيرمي فيه E_F وهو يحتسب بحسب التعريف من القاع. فتكون الطاقة اللازمة لإخراج الإلكترون الثالث من البئر :

W= U - E_F

وهي تساوي دالة الشغل ، وتقدر وحدتها إلكترون فولت للإلكترون الواحد ، ونظرا لتعاملنا في المختبرات يتضمن عينات كبيرة ، فتكون الوحدة المستخدمة المناسبة لها هي جول.لكي تعرف العلاقة بين وحدة الإكترون فولت والجول (96.485 كيلوجول/مول = 1 إلكترون فولت/جسيم) .
[عدل] دالة الشغل للتأين الحراري

تهمنا دالة الشغل أيضا في نظرية الإشعاع بالتأين الحراري . وفيها يكتسب الإلكترون الطاقة اللازمة لتحريره من الحرارة وليس عن طريق فوتونات ضوئية . وطبقا لمعادلة ريتشاردسون-دوشمان ترتبط كثافة تيار اشعاع الإلكترونات (إصدار إلكترونات) ( J (A/m2) ب درجة الحرارة المطلقة T بالعلاقة :

J = A T^2 e^{-W \over k T}

حيث :

( J (A/m2 التيار بوحدة أمبير/متر مربع

W دالة شغل المعدن ,

k ثابت بولتزمان،

و A ثابت التناسب وهو يسمى "ثابت ريتشاردسون " والذي يُعطى بالمعادلة :

A = {4 \pi m k^2 e \over h^3} = 1.20173 \times 10^6 \; \mathrm{A m^{-2}K^{-2}}

حيث:

m و -e كالة الإلكترون وشحنته ,

h ثابت بلانك.

نواجه ظاهرة الإشعاع بالتأين الحراري في فتيل اللمبة المعتادة وفي كاثود الصمامات الإلكترونية حيث يستخدم معدن التنجستن لصناعة الفتيل . وتبلغ دالة الشغل للتنجستن نحو 5و4 إلكترون فولت ، وقد تنخفض عن ذلك قليلا بسبب شوائب .

اتمني ان يعجبكم الموضوع