أصغر وحدة مستقلة من الطاقة الضوئية

قام العديد من علماء الفيزياء مثل نيوتن و هيوجين بالبحث في مكونات الطاقة الضوئية، وأثبتت النتائج أن أصغر وحدة من الطاقة الضوئية التي توجد بصورة مستقلة هي الفوتون.

في هذا المقال، سنتناول الطاقة الضوئية، خصائصها، مصادرها، بالإضافة إلى مفهوم الفوتونات وخصائصها، وسنستعرض العلاقة بين الطاقة والضوء.

الطاقة الضوئية

تُعتبر الطاقة الضوئية طاقة يمكن أن نحصل عليها من أشعة الشمس، حيث تصدر الضوء في أطوال موجية محددة. تصل السرعة الضوئية إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية، مما يعني أن الشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض الآن قد غادر الشمس منذ عشر دقائق مضت.

تعمل الجزيئات الضوئية على الضغط على أي جسيم آخر خلال حركتها؛ على سبيل المثال، تصطدم الأشعة الشمسية بأوراق الأشجار أثناء دخولها إلى سطح الأرض، مما يؤدي إلى زيادة درجة الحرارة على سطح الورقة.

إن الطاقة الضوئية المنبعثة من الشمس قد تتسبب أحيانًا في حرق الكائنات الحية، أو تغيير لون جلد الإنسان إلى اللون الداكن، وقد تؤدي أيضًا إلى الإصابة بضربة شمس. هذه هي بعض الأمثلة التي تعبر عن تأثير الطاقة الضوئية على الإنسانية والطبيعة.

تتم قياس الطاقة الضوئية بوحدات معينة تستخدم لتحديد شدة الضوء وطوله الموجي وعلاقته بقدرة الكائنات الحية على رؤيته والتفاعل معه. ويُلاحظ أن طول الموجة لا يقاس إذا كان أقل من 400 نانومتر أو أكثر من 700 نانومتر.

مصادر الطاقة الضوئية

تتعدد مصادر الطاقة الضوئية، وتنقسم إلى عدة فئات رئيسية، وهي كالتالي:

• المصادر الطبيعية للطاقة الضوئية

  

تشمل المصادر التي تنتج الضوء بشكل طبيعي دون أي تدخل بشري أو صناعي، مثل الشمس، القمر، النجوم، النار، والطاقة الناتجة عن البرق.

• المصادر الحيوية للطاقة الضوئية

  

تشمل المصادر التي تنتج الضوء بشكل حيوي، مثل الكائنات الحية التي تُصدر الطاقة الضوئية منها، مثل اليراعات وبعض أنواع قناديل البحر.

• المصادر الصناعية للطاقة الضوئية

  

تشمل الأضواء الناتجة عن الصناعات البشرية، مثل المصابيح اليدوية، الكشافات، الأضواء الكهربية، والأجهزة الإلكترونية مثل التلفاز والهواتف المحمولة.

الطاقة الشمسية

تعتبر الطاقة الشمسية المصدر الأهم للطاقة الضوئية، وهي الأكثر استخدامًا في العديد من التطبيقات. يتوقع العديد من الخبراء أن تعتمد الدول على الطاقة الشمسية كمصدر رئيسي للطاقة المتجددة بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين.

تعتبر الأشعة الشمسية من المصادر المتجددة والدائمة المتاحة بشكل مستمر، على عكس الوقود الأحفوري والغازات الطبيعية التي قد تنضب.

على الرغم من ذلك، فإن الأشعة الشمسية التي تصل إلى الأرض تمثل نصف الأشعة التي تنتجها الشمس بالفعل، و45% منها تكون أشعة تحت الحمراء، مما يعني أن الشعاع الضوئي المرئي الذي يصل إلى الأرض يمثل نسبة صغيرة جدًا من إجمالي الأشعة الصادرة عن الشمس.

يمكن استغلال الطاقة الضوئية الناتجة عن الشمس بواسطة الألواح الشمسية، التي تعمل على تحويلها إلى طاقة كهربائية للاستخدام في مختلف الأغراض. تعد هذه الألواح فعالة في امتصاص الضوء، مع الانعكاس القليل جدًا منه.

خصائص الضوء

يمتلك الضوء ثلاث خصائص رئيسية، وهي كالتالي:

• الخصائص الهندسية

  

تتحرك الضوء في خط مستقيم، مما يسمح له بالانتشار في الفراغ بشكل مستقيم. يُعرف هذا في الفيزياء بمبدأ “فيرما”، الذي ينص على أن الضوء يسلك أقصر الطرق للوصول إلى هدفه. تشمل الخصائص الهندسية أيضًا الانعكاس والانكسار والتشتت.

• الخصائص الموجية

  

تشمل هذه الخصائص التداخل، الحيود، الاستقطاب، والانكسار.

• الخصائص الاستقلالية

  

تشير هذه الخصائص إلى سلوك الشعاع الضوئي عند تقاطعه مع شعاعات أخرى، بحيث لا يؤثر أحدها على الآخر، بل يسير كل شعاع بشكل مستقل.

ما هي الفوتونات؟

الفوتون هو أصغر وحدة مستقلة من الطاقة الضوئية، ويمثل كميات الضوء أو الأشعة الكهرومغناطيسية. تتواجد الفوتونات في العديد من أشكال الأشعة، مثل أشعة غاما والأشعة السينية ذات الطاقة العالية، وكذلك الأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو منخفضة الطاقة.

تعتبر سرعة الفوتونات من العوامل التي تجعل من الصعب تحديدها بدقة، حيث تقترب من سرعة الضوء. وتم تحديد مصطلح “فوتون” كجسيم غير ذري يعبر عن بوزون منذ عام 1905 من قبل العالم الشهير “ألبرت آينشتاين” الذي شرع في تفسير التأثيرات الكهروضوئية.

وقد أشار آينشتاين في ذلك الوقت إلى وجود مجموعات من الطاقة التي تنقسم خلال انتقال الشعاع الضوئي، وقد تم تمهيد هذا المفهوم من قبل الفيزيائي الألماني “ماكس بلانك” عام 1900، حيث وضح أن أشعة الحرارة تنبعث وتُمتص بوحدات تتميز بالاستقلالية.

استخدم مفهوم الفوتون لأول مرة في عام 1923 بعد أن كشف الفيزيائي الأمريكي “آرثر إتش كومبتون” عن طبيعة الشعاع السيني، لكن لم يُستخدم المصطلح بشكل شائع حتى عام 1926. تجدر الإشارة إلى أن كلمة “فوتون” تأتي من اليونانية (Photos) وتعني الضوء.

خصائص الفوتون

يعتبر الفوتون جسيمًا أوليًا ولا يمتلك كتلة، لكنه لا يمكن أن ينفصل بنفسه. وهو محايد كهربائيًا، على الرغم من أن طاقة الفوتون يمكن أن تُنتج عند تفاعله مع جسيم آخر.

كما يدور الفوتون على محاور دورانية للأمام أو للخلف بناءً على اتجاهه، مما يسمح للضوء بالاستقطاب. وتتمثل بعض المميزات الرئيسية للفوتونات فيما يلي:

• يمتلك الفوتون خصائص الجسيم والموجة في الوقت ذاته.
• يتحرك الفوتون بسرعات ثابتة في الفراغ تعادل ج = 2.9979 × 10^8 متر/ثانية، وهو ما يعبر عن سرعة الضوء.
• على الرغم من كون الفوتونات جسيمات بلا كتلة، إلا أنه من الممكن إنشاؤها وتدميرها خلال عملية امتصاص الشعاع أو انبعاثه.
• يمكن للفوتون التفاعل مع الإلكترونات أو الجسيمات الأخرى، كما يحدث في التأثير الكومبتوني، حيث يصطدم الفوتون بذرة مسببًا إطلاق إلكترون.

علاقة الطاقة بالضوء

يُشار غالبًا إلى أن الضوء يتكون من فوتونات متعددة تنتشر في الفراغ. يمكن تعريف الفوتون على أنه نوع من الطاقة الإشعاعية.

تنبعث هذه الفوتونات نتيجة قفز الإلكترونات الموجودة في الذرة من مستويات طاقية عالية إلى مستويات منخفضة، حيث يُصدر الإلكترون طاقة إشعاعية على شكل فوتون.

يمكن أن ينتقل الإلكترون بين مستويات الطاقة عند تعرضه لطاقة من مصادر مختلفة مثل الحرارة.

تظهر العلاقة بين الطاقة والضوء جليًا، فلكل منهما تأثير عميق على الآخر، وبدون الطاقة والضوء، لا يمكن أن تستمر الحياة على كوكب الأرض، حيث يتم استخدامهما معًا في العمليات البيولوجية والفيزيولوجية.