أصغر وحدة مستقلة من الطاقة الضوئية

تعمل العديد من الشخصيات البارزة في مجال الفيزياء، مثل نيوتن وهيوجين، على استكشاف مكونات الطاقة الضوئية. ومن خلال أبحاثهم، تم تحديد أن الفوتون هو العنصر الأساسي الذي يتواجد بشكل مستقل كأصغر وحدة من الطاقة الضوئية.

سنتناول في هذا المقال موضوع الطاقة الضوئية، وخصائصها، ومصادرها، كما سنستعرض مفهوم الفوتونات وخصائصها، وسنوضح العلاقة القائمة بين الطاقة والضوء.

الطاقة الضوئية

تعتبر الطاقة الضوئية نوعًا من الطاقة التي يمكن استمدادها من أشعة الشمس، حيث تصدر هذه الأشعة في أطوال موجية معينة. وتبلغ سرعة الضوء حوالي 300,000 كم/ث، ما يعني أن الشعاع الشمسي الذي يصل إلى الأرض يكون قد انطلق من الشمس قبل حوالي عشر دقائق.

تقوم الجزيئات الضوئية بالضغط على الأجسام أثناء حركتها؛ فعلى سبيل المثال، تعترض الأشعة الشمسية ورقة شجرة عند وصولها إلى سطح كوكب الأرض، مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة سطح الورقة.

وعلاوة على ذلك، قد تؤدي الطاقة الضوئية القادمة من أشعة الشمس إلى آثار ضارة، منها التسبب في حروق جلدية، أو تغير لون البشرة ليصبح داكنًا، أو حتى التعرض لضربة شمس، وهي بعض الأمثلة الهامة حول كيفية تأثير طاقة الضوء على الإنسان والبيئة.

تُقاس الطاقة الضوئية بوحدات معينة، تُستخدم لقياس شدة الضوء وطوله الموجي، بالإضافة إلى مدى تأثيره على الكائنات الحية. ويُلاحظ أنه لا يتم قياس الأطوال الموجية التي تتجاوز 700 نانومتر أو تقل عن 400 نانومتر.

مصادر الطاقة الضوئية

تتنوع مصادر الطاقة الضوئية، وتختلف وفقًا لنوع المصدر. وفيما يلي الأنواع المختلفة:

• مصادر الطاقة الضوئية الطبيعية

تشمل المصادر التي تولد الضوء بشكل طبيعي دون تدخل بشري أو صناعي، مثل الشمس، القمر، النجوم، النيران، والأشعة الكهربية الناتجة عن البرق.

• مصادر الطاقة الضوئية الحيوية

تشير إلى المصادر التي تنتج الضوء من الكائنات الحية، مثل اليراعات والحبار المضيء.

• مصادر الطاقة الضوئية الصناعية

تشمل الطاقة الضوئية الناتجة عن الابتكارات والتقنيات البشرية، مثل المصابيح، الكشافات، والأجهزة الكهربائية مثل التلفاز والهواتف المحمولة.

الطاقة الشمسية

تُعتبر الطاقة الشمسية أهم مصدر للطاقة الضوئية والأكثر استخدامًا. يتم استغلال الأشعة الشمسية في تطبيقات متنوعة، ويتوقع الخبراء أن تعتمد الدول بشكل كلي على الطاقة الشمسية كمصدر للطاقة المتجددة بحلول نهاية القرن الحادي والعشرين.

تستمر الأشعة الشمسية بشكل طبيعي ودائم، إذ أنها متوفرة دائمًا ولا تُستنفد كما هو الحال مع مصادر الطاقة الأحفورية.

ومع ذلك، فإن الأشعة الشمسية التي تصل إلى الأرض تمثل نصف الشعاع الذي تم إنتاجه، حيث تشكل الأشعة تحت الحمراء حوالي 45% منها، مما يعني أن الضوء المرئي الذي يصل فعليًا إلى الأرض هو نسبة ضئيلة جدًا من إجمالي الأشعة الشمسية.

يتم تحويل الطاقة الضوئية من الشمس إلى كهرباء بواسطة الألواح الشمسية، التي تعمل على جمع وتخزين هذه الطاقة لاستخدامها في أغراض متعددة.

تشمل تصميمات هذه الألواح تكنولوجيا متقدمة لامتصاص أكبر قدر ممكن من الضوء، بينما تُعكس كميات ضئيلة جدًا منها.

خصائص الضوء

يمكن تلخيص خصائص الضوء في ثلاث نقاط أساسية:

• خصائص هندسية

يسير الضوء في خطوط مستقيمة، مما يسهل انتشاره في الفراغات بشكل عمودي. يعرف اتجاهه بالأشعة الضوئية وفقًا لمبدأ فيرما، الذي ينص على أن الضوء يسير في أقصر الطرق. تشمل الخصائص الهندسية الأخرى الانعكاس والانكسار والتشتت.

• خصائص موجية

تشمل الخصائص المتعلقة بالتداخل، الحيود، الاستقطاب، والانكسار.

• خصائص استقلالية

تظهر هذه الظاهرة عند تقاطع شعاعين ضوئيين، حيث يسير كل منهما في مساره الخاص دون تأثير من الآخر.

ما هي الفوتونات

الفوتون هو أصغر وحدة مستقلة من الطاقة الضوئية، ويعتبر جزءًا من الضوء الكهرومغناطيسي. يمكن أن يتواجد في أشكال متعددة كأشعة جاما، الأشعة السينية، والأشعة تحت الحمراء.

ويُذكر أن سرعة الفوتون قريبة جدًا من سرعة الضوء، مما يجعل من الصعب رصدها. أُدخل مصطلح الفوتون إلى العلم بفضل العالم ألبرت آينشتاين عام 1905، الذي استطاع تفسير التأثيرات الكهروضوئية.

أُشير في هذا الوقت إلى وجود وحدات طاقة تتمثل في الفوتونات، وهو ما أسس له ماكس بلانك عام 1900. وتم استخدام مفهوم الفوتون بشكل واسع منذ عام 1923 بعد دراسة آرثر إتش كومبتون للطبيعة الموجية للشعاع السيني.

الكلمة “فوتونات” مشتقة من اليونانية (Photos) وتعني الضوء.

خصائص الفوتون

الفوتون هو جسيم أولي، وعلى الرغم من عدم امتلاكه لكتلة، إلا أنه لا يمكن تحلله طبيعيًا. يتمتع الفوتون بخاصية محايدة كهربائيًا، ولكن يمكن إنتاج طاقته عند تفاعله مع جسيمات أخرى.

يمتلك الفوتون صفات الجسيم والموجة معًا، حيث يتحرك بسرعة ثابتة تُقدر بـ 2.9979 × 10^8 م/ث، وهي معادلة لسرعة الضوء. يمكن إنشاء الفوتونات والتخلص منها من خلال امتصاص وإصدار الطاقة.

الفوتونات يمكن أن تتفاعل مع الإلكترونات أو الجسيمات الأخرى، كما في التأثير الكومبتوني، حيث يصطدم جسيم الضوء مع الذرة مما يؤدي إلى انبعاث الإلكترونات.

علاقة الطاقة بالضوء

يُقال غالبًا أن الضوء يتكون من عدد كبير من الفوتونات المنتشرة في الفراغ، ويمكن تعريف الفوتون على أنه نوع من الطاقة الإشعاعية.

وتنتج الفوتونات عندما ينتقل الإلكترون في الذرة من مستوى طاقة عالٍ إلى مستوى طاقة منخفض، مما يؤدي إلى انبعاث طاقة في شكل فوتون. كما يمكن أن ينتقل الإلكترون بين المستويات الطاقية إذا تعرض لطاقة خارجية مثل الحرارة.

ترتبط الطاقة ارتباطًا وثيقًا بالضوء، حيث لا يمكن فصل أحدهما عن الآخر. بدون الضوء والطاقة، ستكون الحياة على الأرض غير ممكنة، حيث يتم استخدامهما معًا على الصعيدين البيولوجي والفيزيولوجي.