الطاقة الضوئية: صنفها وخصائصها واستخداماتها المهمة

ما هي الطاقة الضوئية؟

تعريف الطاقة الضوئية:

الضوء هو شكل الطاقة الوحيد المرئي للعين البشرية. يمكن تعريف الطاقة الضوئية بطريقتين:

يتكون الضوء من حزم طاقة عديمة الكتلة تعرف بالفوتونات. الفوتونات عبارة عن حزم طاقة تحمل كمية ثابتة من الطاقة الضوئية حسب الطول الموجي.

تشير الطاقة الضوئية إلى نطاق الطاقة الكهرومغناطيسية التي تتكون من أشعة جاما والأشعة السينية والأضواء المرئية وما إلى ذلك.
يُعرف النطاق المرئي للطيف الكهرومغناطيسي عمومًا بالضوء.

طبيعة الضوء:

في القرن السابع عشر كانت هناك فكرتان بخصوص طبيعة الضوء.

طبيعة الجسيمات للضوء

إسحاق نيوتن يعتقد أن الضوء يتكون من جزيئات صغيرة منفصلة تسمى الجسيمات. ووفقًا له ، فإن هذه الجسيمات الدقيقة تنبعث من أجسام ساخنة مثل الشمس أو النار وتنتقل في خط مستقيم بسرعة محدودة وقوة دافعة. أصبح هذا يعرف باسم نظرية نيوتن الجسدية للضوء.

طبيعة موجة الضوء

كريستيان هيجنز ادعى دحض نظرية نيوتن الجسدية من خلال اقتراح نظرية الموجة للضوء. وفقا له ، كان الضوء يتكون من موجات تهتز لأعلى ولأسفل بشكل متعامد مع اتجاه انتشاره. أصبح هذا يعرف باسم مبدأ Huygens

في أوائل القرن التاسع عشر ، أجرى الفيزيائي الإنجليزي توماس يونغ تجربة أظهرت أن الضوء من مصدر نقطة بعد المرور عبر شقين يشكل نمط تداخل على شاشة موضوعة على مسافة مناسبة. أصبح هذا معروفًا باسم تجربة يونج ذات الشق المزدوج ، والتي دعت إلى الطبيعة الموجية للضوء التي تدعم مبدأ هويجنز.

جيمس كليرك ماكسويل وضع الأساس للكهرومغناطيسية الحديثة التي وصفت الضوء بأنه موجة عرضية تتكون من مجالات مغناطيسية وكهربائية متذبذبة عند 90 درجة لبعضها البعض. تناقض صياغة الضوء كموجات عرضية مع Huygens ، الذي اعتقد أن الموجة الضوئية تكون طولية.

البرت اينشتاين أعاد إحياء نظرية الجسيمات بإحضار مفهوم الفوتونات. أظهرت تجربة أينشتاين ، المعروفة بالتأثير الكهروضوئي ، أن الضوء يتألف من حزم منفصلة أو كمية من الطاقة الضوئية تسمى الفوتونات.

لا يمكن تفسير ظاهرة التداخل والانعراج إلا من خلال اعتبار الضوء موجة. بالمقارنة ، كان تفسير التأثير الكهروضوئي ممكنًا فقط من خلال طبيعة جسيمات الضوء.
تم حل هذه المعضلة الضخمة المتعلقة بطبيعة الضوء من خلال أسس ميكانيكا الكم التي أسست ازدواجية الموجة والجسيم على طبيعة كل من الضوء والمادة 

خصائص الضوء:

تفاعلات الضوء:

تتفاعل موجات الضوء مع المادة بطرق مختلفة:

انعكاس الضوء

- عندما ترتد موجة ضوئية عن سطح مادة ما إلى وسط انتشارها السابق ، فإن العملية تسمى انعكاس. على سبيل المثال ، تشكلت الصورة على بحيرة / بحيرة هادئة.

امتصاص الضوء

عندما تمتص مادة ما طاقة الموجة الضوئية التي تسقط عليها ، فإن العملية تسمى الامتصاص. على سبيل المثال ، البلاستيك المتوهج في الظلام ، الذي يمتص الضوء ويعيد إصداره في شكل فسفورة.

انتقال

عندما تنتقل الموجة الضوئية / تمر عبر مادة ما ، تسمى العملية بالإرسال. على سبيل المثال ، يمر الضوء عبر زجاج النافذة.

تدخل

يشير التداخل إلى ظاهرة تراكب موجتين ضوئيتين لإنتاج موجة ناتجة يمكن أن يكون لها سعة أقل أو أعلى أو نفس السعة. يحدث التداخل البناء والمدمّر عندما تكون الموجات المتفاعلة متماسكة مع بعضها البعض ، إما لأنها تشترك في نفس المصدر أو لأن لها نفس التردد أو لها نفس التردد.

تدخل الموجات
تدخل الموجات
مصدر الصورة: Dr. Schorsch 12:32، 19 Apr 2005 (UTC) (دكتور شورشانترفرينزCC BY-SA 3.0

الانكسار

الانكسار هو سلوك مهم تظهره موجات الضوء. يحدث الانكسار عندما تنحرف موجات الضوء عن مسارها الأصلي عند دخولها إلى وسط جديد. يعرض الضوء سرعات مختلفة في مواد نقل مختلفة. يعتمد التغيير في السرعة ودرجة الانحراف على زاوية الضوء الوارد.

الحيود

يُعرَّف الانعراج بأنه انحناء موجات الضوء حول زوايا الفتحة إلى منطقة الظل الهندسية الخاصة بها. يصبح حاجز الانعراج أو الفتحة مصدرًا ثانويًا لموجة الضوء المنتشرة. أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا للانحراف هو تشكيل أنماط قوس قزح على قرص مضغوط أو قرص DVD. تعمل المسارات المتقاربة على قرص DVD أو CD كمشابك للانعراج ، وتشكل أنماطًا عندما يسقط الضوء عليها.


تشتت

يشير تشتت الضوء إلى ظاهرة انقسام الضوء الأبيض إلى طيف ألوانه المكون (.ie VIBGYOR) عند تمريره عبر منشور زجاجي أو كائنات مماثلة. على سبيل المثال ، تشكل قوس قزح بسبب انعراج ضوء الشمس بواسطة قطرات المطر التي تشبه المنشور.

أنواع الضوء

  • يشير الضوء ككل إلى الإشعاع الكهرومغناطيسي لكل طول موجي.
  • يمكن تصنيف الإشعاع الكهرومغناطيسي من حيث الأطوال الموجية
  • موجة الراديو ~ [105 - 10-1 m]
  • ميكروويف ~ [10-1 - 10-3 m]
  • موجة الأشعة تحت الحمراء ~ [10-3 - 0.7 × 10-6m]
  • المنطقة المرئية (نعتبرها ضوء) ~ [0.7 × 10-6 - 0.4 × 10-6 m]
  • الموجات فوق البنفسجية ~ [0.4 × 10-6 - 10-8 m]
  • الأشعة السينية ~ [10-8 - 10-11 m]
  • أشعة جاما ~ [10-11 - 10-13 m]
  • يعتمد عمل الإشعاعات الكهرومغناطيسية على طول موجتها.

التردد والطول الموجي للضوء

مقياس الطول الموجي

مصدر الصورة: Inductiveload، NASA، CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/عبر ويكيميديا ​​كومنز

تردد الضوء

موجات الراديو :

الموجة الراديوية هي موجة كهرومغناطيسية لها تردد بين 20 كيلو هرتز إلى حوالي 300 جيجا هرتز وهي معروفة لاستخدامها في تقنيات الاتصال ، مثل الهواتف المحمولة والتلفزيون والراديو. تقبل هذه الأجهزة موجات الراديو وتحولها إلى اهتزازات ميكانيكية لإنتاج موجات صوتية.

الميكروويف :

الميكروويف هو إشعاع كهرومغناطيسي له تردد بين 300 ميجاهرتز و 300 جيجاهرتز. تحتوي أجهزة الميكروويف على مجموعة متنوعة من التطبيقات ، بما في ذلك الرادار والاتصالات والطهي.

موجات الأشعة تحت الحمراء:

موجة الأشعة تحت الحمراء هي عبارة عن إشعاع كهرومغناطيسي يتراوح تردده بين 300 جيجاهرتز و 400 تيراهيرتز.
تجد موجات الأشعة تحت الحمراء تطبيقها في تسخين الطعام وأجهزة التحكم عن بعد في التلفزيون ، وكابلات الألياف الضوئية ، وكاميرات التصوير الحراري ، وما إلى ذلك.

ضوء مرئي :

الضوء المرئي هو إشعاع كهرومغناطيسي له تردد بين 4 × 1014 إلى 8 × 1014 هيرتز (هرتز). السبب وراء رؤية العين البشرية لمدى معين من ترددات الضوء هو أن تلك الترددات المعينة تحفز الشبكية في العين البشرية.

الأشعة فوق البنفسجية :

الأشعة فوق البنفسجية هي أشعة كهرومغناطيسية لها تردد بين 8 × 1014 و 3 × 1016 هيرتز (هرتز). تُستخدم الأشعة فوق البنفسجية لإبطال الميكروبات ، وتعقيم المعدات الطبية ، وعلاج مشاكل الجلد ، وما إلى ذلك.

الأشعة السينية:

الأشعة السينية هي إشعاعات كهرومغناطيسية لها ترددات بين 3 × 1019 و 3 × 1016 هرتز. تستخدم الأشعة السينية لإبطال الخلايا السرطانية ، في أجهزة الأشعة السينية ، إلخ.

أشعة غاما:

أشعة جاما هي إشعاعات كهرومغناطيسية لها ترددات أكثر من 1019 هيرتز (هرتز). تستخدم أشعة جاما ل يبطل الميكروبات وتعقيم المعدات الطبية والغذاء.

أمثلة على الطاقة الضوئية

مصادر الاضاءة

يمكن تصنيف مصادر الضوء إلى نوعين أساسيين: اللمعان والتوهج.

اتقاد:

يشمل الإنارة اهتزاز جميع الذرات الموجودة. عندما يتم تسخين الذرات إلى درجة حرارة مثالية عالية جدًا ، يتم إطلاق الاهتزازات الحرارية الناتجة على شكل إشعاعات كهرومغناطيسية. ينشأ الضوء المتوهج أو "إشعاع الجسم الأسود" عندما ينشأ الضوء من مادة صلبة ساخنة. بناءً على درجة حرارة المادة ، تختلف الفوتونات المنبعثة في ألوانها وطاقاتها. في درجات حرارة منخفضة ، تنتج المواد إشعاعات الأشعة تحت الحمراء.

في إشعاع الجسم الأسود ، مع زيادة درجة الحرارة ، يتم تحويل الذروة نحو أطوال موجية أقصر ، حيث تتحرك نحو النطاق فوق البنفسجي للطيف ، تولد اللون الأحمر ثم الأبيض ، وأخيرًا اللون الأبيض المزرق.
الضوء المتوهج هو الضوء الأكثر استخدامًا. تتكون من الشمس والمصابيح والنار.
تسبب الحرائق تفاعلات كيميائية تطلق الحرارة ، مما يتسبب في تلامس المواد لدرجات حرارة عالية ، وفي النهاية تؤدي إلى توهج الغازات والمواد. من ناحية أخرى ، تنتج المصابيح الكهربائية حرارة بسبب مرور التيار الكهربائي عبر كابل. تبعث المصابيح المتوهجة حوالي 90٪ من طاقتها كأشعة تحت الحمراء والباقي كضوء مرئي.

التلألؤ

يتضمن اللمعان الإلكترونات فقط ويحدث بشكل عام في درجات حرارة منخفضة ، مقارنة بالضوء المتوهج.
يتشكل ضوء الإنارة عندما يصدر الإلكترون جزءًا من طاقته كإشعاع كهرومغناطيسي. عندما يقفز الإلكترون إلى مستوى طاقة أقل ، يتم إطلاق كمية معينة من الطاقة الضوئية في شكل أضواء ذات لون معين. بشكل عام ، للحفاظ على التلألؤ المستمر ، تحتاج الإلكترونات إلى دفع مستمر للوصول إلى مستويات طاقة أعلى بحيث تستمر العملية.
على سبيل المثال ، تنتج مصابيح النيون الضوء من خلال التلألؤ الكهربائي ، والذي يتضمن جهدًا عاليًا {دفعًا} ، والذي يثير جزيئات الغاز وينتج عنه في النهاية انبعاث ضوئي.

كيف يسافر Light؟

يسافر الضوء عمليا كموجة. على الرغم من أنه وفقًا للبصريات الهندسية ، تم تصميم الضوء للسفر في الأشعة. يمكن أن يحدث انتقال الضوء من مصدر إلى نقطة بثلاث طرق:

  • يمكن أن ينتقل مباشرة من خلال فراغ أو مساحة فارغة. على سبيل المثال ، ينتقل الضوء من الشمس إلى الأرض.
  • يمكن أن تنتقل عبر وسائط مختلفة ، مثل الهواء والزجاج وما إلى ذلك.
  • يمكن أن يسافر بعد الانعكاس ، مثل المرآة أو بحيرة ثابتة.

الطاقة الخفيفة مقابل طاقة الإلكترون

طاقة الإلكترونالطاقة الضوئية
• تمتلك الإلكترونات طاقة كتلة ثابتة ، أي الطاقة المقابلة لكتلتها عند السكون. يمكن حساب الطاقة المتبقية للإلكترون باستخدام معادلة أينشتاين E = MC2.

• عندما يغير الإلكترون مستويات طاقته بالانتقال من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل ، فإنه يصدر فوتونات.
• الطاقة الضوئية في شكل حزم صغيرة من الطاقة عديمة الكتلة تسمى الفوتونات. تعتمد كمية الطاقة في الفوتون على الطول الموجي للضوء. E = hc /

• عندما تسقط فوتونات بكمية مناسبة من الطاقة الضوئية على مادة ما ، تمتص الإلكترونات الطاقة وتهرب من المادة.

استخدامات الطاقة الضوئية.

للضوء تطبيقاته في كل جانب من جوانب الحياة. بدون الطاقة الضوئية ، كان من المستحيل علينا البقاء على قيد الحياة.
فيما يلي بعض التطبيقات الأساسية للطاقة الضوئية في حياتنا:

  • الضوء يسمح بالرؤية. توفر مجموعة محددة من الأطوال الموجية للضوء الكمية المثالية من الطاقة المطلوبة لتحفيز التفاعلات الكيميائية في شبكية العين لدعم الرؤية.
  • تسمح الطاقة الضوئية للنباتات بإنتاج الغذاء من خلال عملية التمثيل الضوئي.
  • تستخدم الطاقة الضوئية كمصدر للطاقة في تقنيات الأقمار الصناعية والفضاء.
  • تستخدم الطاقة الشمسية في مختلف الأنشطة المنزلية والصناعية.
  • تستخدم الطاقة الضوئية (الإشعاع الكهرومغناطيسي) في صناعة الاتصالات.
  • تستخدم الطاقة الضوئية أيضًا في علاجات طبية متعددة.

اترك تعليق

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول المشار إليها إلزامية *

انتقل إلى الأعلى