أصغر وحدة مستقلة من الطاقة الضوئية

قام العديد من علماء الفيزياء، مثل نيوتن وهيوجين، بالبحث في مكونات الطاقة الضوئية، وتمكنوا من تحديد أن الفوتون هو الوحدة الأساسية للطاقة الضوئية التي تتمتع بوجود مستقل.

في هذا المقال، سنتناول مفهوم الطاقة الضوئية وخصائصها ومصادرها، كما سنستعرض الفوتونات وسماتها، إلى جانب توضيح العلاقة بين الطاقة والضوء.

الطاقة الضوئية

تُعرف الطاقة الضوئية بأنها الطاقة المستمدة من أشعة الشمس، وتظهر في الأطوال الموجية المحددة. تبلغ سرعة الضوء حوالي 300 ألف كيلومتر في الثانية، مما يعني أن ضوء الشمس الذي يصل إلى الأرض قد انطلق منها قبل نحو 10 دقائق.

تقوم الجزيئات الضوئية عند حركتها بالضغط على أي جسيم آخر؛ على سبيل المثال، عندما تصطدم الأشعة الشمسية بأوراق الأشجار، يؤدي ذلك إلى زيادة درجات الحرارة على سطحها.

كما يمكن للطاقة الضوئية الناتجة عن الشمس أن تتسبب في حروق للجسم الحي في بعض الأحيان، أو تسبب تغيير لون جلد الإنسان إلى اللون الداكن، أو تؤدي إلى الإصابة بضربة شمس. هذه الأمثلة تُبرز تأثيرات طاقة الضوء على الإنسان والطبيعة.

تُقاس الطاقة الضوئية بوحدات معينة، تُستخدم لقياس شدة الضوء وطول موجته وعلاقته بقدرة الكائنات الحية على مشاهدته والتفاعل معه، حيث لا يتم قياس الأطوال الموجية التي تتجاوز 700 نانومتر أو تقل عن 400 نانومتر.

مصادر الطاقة الضوئية

تتعدد مصادر الطاقة الضوئية وتتنوع بشكل كبير، وفيما يلي نستعرض مصادر الضوء المختلفة:

• المصادر الطبيعية للطاقة الضوئية

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

• المصادر الحيوية للطاقة الضوئية

تشير إلى المصادر القادرة على إنتاج الضوء بشكل حيوي، كالمخلوقات الحية التي تنتج الطاقة الضوئية، مثل اليراعة وقنديل البحر.

• المصادر الصناعية للطاقة الضوئية

تمثل هذه المصادر الطاقة الناتجة عن الصناعات والاكتشافات البشرية، مثل المصابيح اليدوية والكشافات الضوئية والمصابيح الكهربائية والأجهزة الإلكترونية مثل التلفاز والهواتف المحمولة.

الطاقة الشمسية

تُعد الطاقة الشمسية من أهم مصادر الطاقة الضوئية، حيث تُستخدم الأشعة القادمة من الشمس في مجالات متعددة. كما يتوقع العديد من الخبراء أن تعتمد الدول بالكامل على الطاقة الشمسية كمصدر الطاقة المتجددة بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين.

إن الأشعة الشمسية تعتبر مصدرًا طبيعيًا مستدامًا ومتوافرًا بشكل دائم، ولا تواجه خطر النفاد كما هو الحال مع الغاز الطبيعي والوقود الأحفوري.

وعلى الرغم من أن الأشعة الشمسية التي تصل إلى الأرض تمثل نصف الأشعة التي تنتجها الشمس، فإن 45% منها تُعتبر أشعة تحت الحمراء، مما يعني أن الضوء المرئي الذي تصل نسبته إلى الأرض هو جزء صغير جدًا من إجمالي الأشعة الشمسية الصادرة.

يتم الاستفادة من الطاقة الضوئية الناتجة عن الشمس باستخدام الألواح الشمسية التي تحول جزءًا من هذه الطاقة إلى طاقة كهربائية يمكن استخدامها في مختلف الأغراض.

تمتاز هذه الألواح بقدرتها العالية على امتصاص الضوء، في حين تنعكس منها نسبة ضئيلة جدًا.

خصائص الضوء

للضوء خصائص ثلاث، تتمثل في:

• الخصائص الهندسية

يسير الضوء في خطوط مستقيمة، مما يسمح له بالانتشار في الفراغات بشكل رأسي. يُعرف اتجاه مروره بالأشعة الضوئية، ويشار إليه بمبدأ “فيرما”.

يعني ذلك أن الضوء يسلك أقصر الطرق للوصول. تشمل الخصائص الهندسية أيضًا ظواهر الانعكاس والانكسار والتشتت.

• الخصائص الموجية

تشير إلى الخصائص المرتبطة بالتداخل والحيود والاستقطاب والانكسار.

• الخصائص المستقلة

تظهر هذه الظاهرة عند تقاطع حزمة ضوئية مع أخرى، حيث لا يؤثر شعاع على الآخر، بل يسير كل منهما في مساره دون أي تأثير.

ما هي الفوتونات؟

الفوتون هو أصغر وحدة مستقلة للطاقة الضوئية، ويُعرف أيضًا بالكميات الضوئية أو كميات الضوء، ويُعتبر مجموعة دقيقة من الأشعة الكهرومغناطيسية.

تتواجد الفوتونات في العديد من الأشكال، كالأشعة السينية التي تتميز بالطاقات العالية، وكذلك الأشعة الحمراء وأشعة الراديو ذات الطاقات المنخفضة.

تُعتبر سرعة الفوتون السبب الرئيسي في كوننا لا نشعر بوجوده، حيث تقترب سرعته من سرعة الضوء.

ظهر مصطلح “فوتون” كجسيم غير ذري عام 1905 بفضل العالم الشهير “ألبرت أينشتاين” الذي شرح التأثيرات الكهروضوئية.

لقد اقترح في ذلك الوقت وجود كميات من الطاقة تنقسم عند انتقال الأشعة الضوئية، بعد أن تمهّد للعالم الفيزيائي الألماني “ماكس بلانك” هذا المفهوم في عام 1900.

تم استخدام مفهوم الفوتون في عام 1923 بعد أن أوضح العالم الأمريكي “آرثر إتش كومبتون” طبيعة الأشعة السينية.

على الرغم من ذلك، لم يُستخدم هذا المصطلح بشكل واسع النطاق حتى عام 1926. ومن الجدير بالذكر أن كلمة “فوتون” مشتقة من اليونانية (Photos) وتعني الضوء.

خصائص الفوتون

الفوتون هو جسيم أولي، وبينما لا يمتلك كتلة، إلا أنه لا يمكن أن يتحلل بمفرده. كما أن له شحنة كهربائية محايدة، رغم أنه يمكن أن تُولِّد طاقته عند تفاعله مع جسيم آخر.

فالفوتون يكون جسيمًا يتميز بالدوران حول محاوره، سواء للوجهة اليمنى أو اليسرى بناءً على اتجاه الفوتونات، مما يُساهم في خاصية استقطاب الضوء. تتجلى ميزات الفوتون في النقاط التالية:

• يمتلك الفوتون خواص الجسيم والموجة في نفس الوقت.
• يسير الفوتون بسرعة ثابتة تُعادل ج = 2.9979 × 10^8 متر/ثانية، وهي معادلة سرعة الضوء.
• رغم كون الفوتون جسيمًا بلا كتلة، فيمكن إنشاؤه أو تدميره عند امتصاص أو انبعاث الشعاع.
• يمكن للفوتون التفاعل مع الإلكترون أو أي جسيم آخر، كما يحدث في تأثير كومبتون حيث يصطدم الفوتون بذرة ويحرر الإلكترون.

علاقة الطاقة بالضوء

غالبًا ما يُقال إن الضوء يتكون من عددٍ كبير من الفوتونات المنتشرة في الفضاء، ويمكن تعريف الفوتون كنوع من الإشعاع الطاقي.

يُنتج الفوتون عندما يقفز الإلكترون الموجود في الذرة من مستويات عالية إلى مستويات منخفضة، مما يؤدي إلى إصدار الطاقة الإشعاعية على هيئة فوتون.

ويمكن أيضًا أن ينتقل الإلكترون بين مستويات مختلفة عندما يتعرض لمصادر طاقة متنوعة، مثل الحرارة.

تظهر العلاقة بين الطاقة والضوء بوضوح، حيث لا يمكن فصل الاثنين، وبدون الطاقة والضوء، تتعطل مسيرة الحياة على كوكب الأرض، حيث يتم الاعتماد على الطاقة والضوء معًا في السياقات البيولوجية والفيزيولوجية.