أصغر وحدة من الطاقة الضوئية تكون موجودة بمفردها

عمل عدد كبير من علماء الفيزياء، مثل نيوتن وهويغنز، على دراسة مكونات الطاقة الضوئية، وتم التوصل إلى أن أصغر وحدة من الطاقة الضوئية التي تتواجد بشكل مستقل هي الفوتون.

في هذا المقال، سنستعرض الطاقة الضوئية، وخصائصها، ومصادرها، بالإضافة إلى التعرف على الفوتونات وسماتها، وسنوضح بصفة خاصة العلاقة بين الطاقة والضوء.

الطاقة الضوئية

تعتبر الطاقة الضوئية طاقة قابلة للاستخراج من أشعة الشمس، التي تصدر في أطوال موجية محددة، حيث تصل سرعة الضوء إلى 300,000 كم/ث، مما يعني أن الشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض قد استغرق حوالي 10 دقائق للوصول من الشمس.

تؤثر الجزيئات الضوئية على أي جسم آخر أثناء تنقلها، فعلى سبيل المثال، عندما تصطدم الأشعة الشمسية بأوراق الأشجار عند دخولها إلى الغلاف الجوي، ينتج عن ذلك ارتفاع في درجات حرارة السطح.

كما أن الطاقة الضوئية المتأتية من الشمس يمكن أن تحرق الكائنات الحية في بعض الحالات، أو تتسبب في اسمرار جلد الإنسان، أو حتى تؤدي إلى ضربة شمس، وهذه أمثلة هامة توضح تأثير طاقة الضوء على البشر والطبيعة.

لكل نوع من الطاقة الضوئية وحدة قياس محددة، تعمل على قياس شدة الضوء وطوله الموجي وتأثيره على قدرة الكائنات الحية على رؤيته والتفاعل معه. حيث لا يتم قياس الأطوال الموجية التي تتجاوز 700 نانومتر أو تلك التي تقل عن 400 نانومتر.

مصادر الطاقة الضوئية

تنقسم مصادر الطاقة الضوئية إلى عدة فئات تختلف في طبيعتها، وفيما يلي نستعرض المصادر المختلفة للضوء:

• المصادر الطبيعية للطاقة الضوئية

تشمل هذه المصادر التي تنتج الضوء بشكل طبيعي دون تدخل بشري، مثل الشمس، والقمر، والنجوم، والنيران، وكذلك الطاقة الكهربائية الناتجة عن البرق.

• المصادر الحيوية للطاقة الضوئية

تتضمن هذه المصادر الكائنات الحية التي تستطيع إصدار الطاقة الضوئية، مثل اليراعات وبعض أنواع قناديل البحر.

• المصادر الصناعية للطاقة الضوئية

تشمل الطاقة الضوئية الناتجة عن الابتكارات البشرية مثل المصابيح اليدوية، والكشافات، والمصابيح الكهربائية، والأجهزة الإلكترونية مثل التلفاز والهواتف المحمولة.

الطاقة الشمسية

تعتبر الطاقة الشمسية المصدر الأهم للطاقة الضوئية، وهي من الأكثر استخدامًا. حيث يتم الاستفادة من الأشعة الشمسية في العديد من التطبيقات، ويتوقع خبراء أن تعتمد الدول كامل الاعتماد على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة المتجددة في نهاية القرن الحادي والعشرين.

تمثل الأشعة الشمسية مصدرًا دائمًا وغير قابل للنضوب، على عكس الغاز الطبيعي والوقود الأحفوري الذي قد ينضب مع مرور الوقت.

لكن من المهم ملاحظة أن الأشعة الشمسية التي تصل إلى الأرض تمثل نصف كمية الأشعة التي يتم إنتاجها، حيث يشكل 45% منها أشعة تحت الحمراء. وبالتالي، فإن الأشعة الضوئية المرئية التي تصل بشكل حقيقي إلى الأرض تمثل نسبة ضئيلة من إجمالي الأشعة الضوئية.

يتم استخدام الطاقة الضوئية من الشمس من خلال الألواح الشمسية التي تحول بعض هذه الطاقة إلى كهرباء، تستفيد منها العديد من الأغراض المختلفة.

تتميز الألواح الشمسية بقدرتها العالية على امتصاص الضوء، بينما تعكس كمية صغيرة جدًا منه.

خصائص الضوء

يمكن تلخيص خصائص الضوء في ثلاث نقاط رئيسية:

• خصائص هندسية

يسافر الضوء في خطوط مستقيمة، مما يسمح له بالانتشار باستقامة في الفراغ، ويُعرف اتجاه هذا الانتشار باسم الأشعة الضوئية، وهو ما يُعرف بمبدأ فيرما.

يدل هذا المبدأ على أن الضوء يسلك أقصر الطرق للوصول إلى هدفه، وهذه الخصائص الهندسية تشمل أيضًا الانعكاس والانكسار والتشتت.

• خصائص موجية

تتعلق هذه الخصائص بالتداخل، والحَيود، والاستقطاب، والانكسار.

• خصائص استقلالية

تمثل هذه الخاصية الموقف الذي يتقاطع فيه شعاعان ضوئيان دون أن يؤثر أحدهما على الآخر، حيث يسير كل شعاع في مساره الخاص دون التأثير على الآخر.

ما هي الفوتونات؟

الفوتون هو أصغر وحدة من الطاقة الضوئية التي توجد بشكل مستقل، ويُعرف أيضًا بالكميات الضوئية. يمكن تعريفه على أنه مجموعة دقيقة من الأشعة الكهرومغناطيسية.

توجد الفوتونات في العديد من أنواع الأشعة، مثل أشعة غاما، والأشعة السينية التي تتميز بقدراتها العالية، والأشعة تحت الحمراء المرافقة لموجات الراديو التي تتمتع بطاقة منخفضة.

تعتبر سرعة الفوتون ناتجة عن قربها من سرعة الضوء، مما يصعب من ملاحظته بشكل مباشر.

ظهر مصطلح الفوتون كجسيم غير ذري عام 1905، من خلال توضيحات العالم الشهير ألبرت آينشتاين للتأثيرات الكهروضوئية. حيث اقترح في ذلك الوقت وجود طاقة مقسمة أثناء انتقال الضوء، بعد أن أطلق ماكس بلانك نظريته في عام 1900 بخصوص انبعاث وامتصاص الحرارة بوحدات محددة.

تم استخدام مصطلح الفوتون بشكل رسمي في عام 1923 عندما أظهر آرثر ه. كومبتون طبيعة الأشعة السينية، بيد أن المصطلح لم يحظ بشيوع كامل حتى عام 1926. تجدر الإشارة إلى أن كلمة “فوتون” تأتي من اليونانية وتعني الضوء.

خصائص الفوتون

الفوتون يعتبر جسيمًا أوليًا، وعلى الرغم من عدم امتلاكه لكتلة، إلا أنه لا يمكن تفكيكه بشكل منفرد. كما يُظهر الفوتون حيادية على المستوى الكهربائي، ورغم ذلك يمكن توليد طاقته عند تفاعله مع جسيم آخر.

يتمتع الفوتون بخصائص فريدة تجعله يمزج بين صفات الجسيم والموجة في الوقت ذاته، ويتميز بحركة ثابتة في الفراغ بسرعة تساوي 2.9979 × 10^8 م/ث، وهي معادلة سرعة الضوء.

نظرًا لعدم امتلاك الفوتون لكتلة، يمكن إنتاجه والتخلص منه عند امتصاص الضوء أو انبعاثه. كما يمكن للفوتون أن يتفاعل مع الإلكترون أو الجسيم، ومن أبرز تلك التفاعلات هو تأثير كومبتون، حيث يصطدم فيه ضوء الفوتون بالذرة مسببًا إطلاق إلكترون.

علاقة الطاقة بالضوء

غالبًا ما يُقال إن الضوء يتكون من عدد كبير من الفوتونات التي تنتشر عبر الفراغ، ويُعرف الفوتون بنوع إشعاعي من الطاقة.

ينشأ الفوتون نتيجة لتغير مستوى الإلكترون في الذرة، حيث يحدث قفز من مستويات طاقة عالية إلى مستويات منخفضة، مما يؤدي إلى إصدار طاقة على شكل فوتون.

يمكن للإلكترون الانتقال بين مستويات طاقة مختلفة عند تعرضه لإثارة من مصادر الطاقة مثل الحرارة.

في هذه الصدد، تتضح العلاقة الوثيقة بين الطاقة والضوء، حيث لا يمكن فصلهم، وبدون الطاقة والضوء، تبقى الحياة على الأرض مستحيلة، حيث يُستخدم كلاهما معًا في التفاعلات البيولوجية والفسيولوجية.