أصغر وحدة من الطاقة الضوئية موجودة بشكل مستقل

لقد قام العديد من علماء الفيزياء، مثل نيوتن وهيوجين، بدراسة مكونات الطاقة الضوئية، وخلصوا إلى أن أصغر وحدة مستقلة في الطاقة الضوئية هي الفوتون.

في هذه المقالة، سنستعرض الطاقة الضوئية وخصائصها ومصادرها، بالإضافة إلى التعرف على مفهوم الفوتونات وسماتها، وسنناقش العلاقة بين الطاقة والضوء.

الطاقة الضوئية

الطاقة الضوئية هي الطاقة الناتجة عن أشعة الشمس، وتنتشر هذه الطاقة عبر الأطوال الموجية المحددة بسرعة تصل إلى 300,000 كيلومتر في الثانية. وهذا يعني أن الشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض يكون قد غادر الشمس قبل حوالي 10 دقائق.

تؤثر الجزيئات الضوئية على المواد المحيطة بها عند مرورها، على سبيل المثال، عندما تصطدم الأشعة الشمسية بورقة شجرة، مما يؤدي إلى ارتفاع الحرارة على سطحها.

من جهة أخرى، يمكن أن تتسبب الطاقة الضوئية المستمدة من الشمس في احتراق الكائنات الحية، أو تغيير لون جلد الإنسان إلى اللون الداكن، أو حتى الإصابة بضربة شمس. هذه هي بعض الأمثلة على التأثيرات الناتجة عن الطاقة الضوئية على الإنسان والطبيعة.

تُقاس الطاقة الضوئية بوحدات معينة، والتي تساعد في قياس شدة الضوء وطوله الموجي وعلاقته بقدرة الكائنات الحية على رؤيته والتأثر به. وتحديدًا، يتم قياس الأطوال الموجية التي تتراوح بين 400 و700 نانومتر.

مصادر الطاقة الضوئية

تتعدد وتتنوع مصادر الطاقة الضوئية، وفيما يلي أهم هذه المصادر:

• المصادر الطبيعية للطاقة الضوئية

تشمل المصادر الطبيعية التي تنتج الضوء دون تدخل بشري، مثل الشمس، القمر، النجوم، النيران، والطاقة الناتجة عن البرق.

• المصادر الحيوية للطاقة الضوئية

تشير إلى الكائنات الحية التي تنتج الضوء بشكل طبيعي، مثل اليراعات وبعض أنواع قناديل البحر.

• المصادر الصناعية للطاقة الضوئية

تشمل نتائج الابتكارات البشرية المستندة إلى التكنولوجيا، مثل المصابيح الكهربائية، وأجهزة الإضاءة المحمولة، وتكنولوجيا التلفاز والهواتف المحمولة.

الطاقة الشمسية

تعتبر الطاقة الشمسية أحد أهم مصادر الطاقة الضوئية، بأكثر استخداماتها شيوعًا. حيث يتم استغلال الأشعة الشمسية في تطبيقات متنوعة، ويتوقع الخبراء أن تعتمد الدول بشكل كامل على الطاقة الشمسية كمصدر رئيسي للطاقة المتجددة بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين.

الأشعة الشمسية تعد مصدرًا طبيعيًا مستدامًا، ولا تعاني من النضوب مثل مصادر الوقود الأحفوري. ومع ذلك، فإن الأشعة التي تصل إلى الأرض تمثل نصف مجموع الأشعة الشمسية المنتجة، حيث تمثل 45% منها أشعة تحت حمراء، وبالتالي فإن نسبة الأشعة المرئية التي تصل إلى الأرض تكون ضئيلة جداً.

يتم تحويل الطاقة الضوئية من الشمس إلى طاقة كهربائية باستخدام الألواح الشمسية، التي تعمل على امتصاص كمية كبيرة من الضوء وتحويله إلى طاقة قابلة للاستخدام.

خصائص الضوء

يمكن تلخيص خصائص الضوء في ثلاث فئات رئيسية:

• الخصائص الهندسية

يسلك الضوء مسارًا مستقيمًا، مما يمكنه من الانتشار في الفراغ بشكل قائم، ويعرف اتجاهه بالأشعة الضوئية، وهو ما يُطلق عليه مبدأ فيرما. ويتضمن خصائص مثل الانعكاس والانكسار والتشتت.

• الخصائص الموجية

تتعلق هذه الخصائص بتداخل الموجات، والانكسار، والحيود، والاستقطاب.

• الخصائص الاستقلالية

تشير إلى حالة تقاطع الشعاع الضوئي دون أن يؤثر أي شعاع على الآخر، حيث يسير كل شعاع في مساره الخاص.

ما هو الفوتون؟

يعتبر الفوتون أصغر وحدة للطاقة الضوئية، ويُعرف أيضاً بالكميات الضوئية. هو عبارة عن جزء أساسي من الأشعة الكهرومغناطيسية.

الفوتونات موجودة في أنواع مختلفة من الأشعة، مثل أشعة جاما والأشعة السينية ذات الطاقة العالية، مرورًا بالأشعة الحمراء وموجات الراديو ذات الطاقة المنخفضة.

تتميز الفوتونات بسرعة تجعل من الصعب اكتشافها، حيث تقترب هذه السرعة من سرعة الضوء.

ظهر مصطلح الفوتون في بداية القرن العشرين عندما قدم ألبرت آينشتاين تفسيره للتأثيرات الكهروضوئية، مقترحًا وجود طاقة منقسمة أثناء انتقال الضوء، اعتمادًا على أفكار ماكس بلانك الذي وصف الأشعة الحرارية بأنها تنبع وتستقبل ككميات منفصلة.

بدأ استخدام مفهوم الفوتون في عام 1923 بعد أن أثبت آرثر ه. كومبتون طبيعة الأشعة السينية. لكن لم يتم تبني هذا المصطلح بشكل شائع حتى عام 1926، واصل البحث العلمي لتطوير فكرة الفوتونات.

خصائص الفوتون

الفوتون هو جسيم أولي، ورغم عدم امتلاكه للكتلة، إلا أنه لا يمكن أن يتحلل بمفرده. كما أنه محايد كهربائيًا، ولكن طاقته يمكن أن تُخلق عند تفاعله مع جسيمات أخرى.

يتحرك الفوتون في الاتجاه المعتمد على ضوء الفوتونات، سواء نحو اليسار أو اليمين، مما يسمح له باستقطاب الضوء. ومن مميزاته الأخرى:

• يمتلك خصائص كل من الجسيمات والموجات معًا.
• يتحرك الفوتون بسرعة ثابتة تبلغ حوالي 299,792,458 متر في الثانية.
• بما أن الفوتون ليس له كتلة، فإنه يمكن إنتاجه والتخلص منه عند امتصاصه أو انبعاثه.
• يمكن للفوتون التفاعل مع الإلكترون أو الجسيم، كما هو الحال في تأثير كومبتون، حيث يتصادم الفوتون مع الذرة، مما يؤدي إلى إطلاق إلكترون.

العلاقة بين الطاقة والضوء

غالبًا ما يُقال إن الضوء يتكون من فوتونات كثيرة منتشرة في الفضاء. يمكن تعريف الفوتون بأنه نوع من الطاقة الإشعاعية.

يُنتج الفوتون عندما يقفز الإلكترون من مستوى طاقة عالٍ إلى مستوى طاقة منخفض، مما يؤدي إلى انبعاث طاقة عبر موجة محددة على شكل فوتون.

يمكن أن ينتقل الإلكترون بين مستويات مختلفة عند تعرضه للطاقة أو الحرارة.

تتجلى العلاقة بين الطاقة والضوء، حيث لا يمكن فصلها، وبدون الطاقة والضوء، لا تستمر الحياة على الأرض. فهما يعملان معًا في العمليات البيولوجية والفيزيائية.