تعليمنظريات علمية
تعريف الطاقة الضوئية واستخداماتها
اصغر جزء من الطاقة الضوئية يوجد بشكل مستقل يسمى
الفوتون هو أصغر جزء مستقل من الطاقة الضوئية ويعرف بالجسيم الضوئي، وهو حزمة منفصلة (أو كم) من الطاقة الكهرومغناطيسية (أو الضوء)، وتكون الفوتونات دائما في حالة حركة مستمرة في الفراغ، ولها سرعة ثابتة للضوء .
الخصائص الأساسية للفوتونات
وفقًا لنظرية الفوتون في الضوء ، فإن الفوتونات:
- يتصرف مثل جسيم وموجة في نفس الوقت .
- تنتقل بسرعة ثابتة ج = 2.9979 × 10 8 م/ث (أي “سرعة الضوء”) في مجال خالٍ .
- ليس لديهم كتلة وبقية الطاقة .
- تحمل الطاقة والزخم، وهذا يرتبط بالتردد والطول الموجي للموجة الكهرومغناطيسية، ويتم التعبير عن ذلك من خلال المعادلة E = h nu و p = h / lambda .
- يمكن إنشاء وتدمير الجزيئات عند امتصاص أو انبعاث الإشعاع .
- يمكن أن يحدث للضوء تفاعلات مماثلة للجسيمات (أي تصادمات) مع الإلكترونات والجسيمات الأخرى ، مثل تأثير كومبتون حيث تصطدم جسيمات الضوء بالذرات مما يؤدي إلى إطلاق الإلكترونات.
تعريف الطاقة الضوئية
- يمكن تعريف الضوء على أنه شكل من أشكال الطاقة يحتوي على فوتونات تشبه الجسيمات ذات الخصائص الموجية، ويمكن أن يؤثر على فسيولوجيا الكائن الحي، مثل التمثيل الضوئي وحاسة البصر .
- الطاقة الضوئية هي شكل من أشكال الطاقة الذي يمكن رؤيته بالعين البشرية، ويتميز بطول موجي محدد يتراوح بين 400-700 نانومتر ويشار إليه باسم الضوء المرئي في الطيف الكهرومغناطيسي .
- الضوء هو شكل من أشكال الطاقة الكهرومغناطيسية المشعة التي تنتقل في خط مستقيم، ويمكن رؤيته بالعين المجردة عندما يكون طول الموجة محددًا .
- تشرح النظرية الحديثة للإشعاع الكهرومغناطيسي انبعاث الضوء من خلال تفسيرها لمستويات الطاقة الإلكترونية، حيث يمكن للإلكترونات القفز من مستويات طاقة عالية إلى مستويات طاقة أقل، وينتج عن ذلك تحرير طاقة ضوئية .
مما يتكون الضوء
- يتكون الضوء من الطاقة .
- يمكن للضوء أن يكون نوعين من الطبيعة، سواء كجسيم أو كموجة ،
- يتألف الضوء بشكل أساسي من جسيمات تسمى الفوتونات، حيث تحمل هذه الجسيمات كمية ثابتة من الطاقة ولكنها لا تمتلك كتلة، وبالتالي فإن طاقة الفوتون تعتمد على طول الموجة، حيث تحمل الفوتونات ذات الطول الموجي الأطول طاقة أقل .
استخدامات الطاقة الضوئية
- الطاقة الضوئية هي شكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يمكن رؤيته بالعين البشرية، ولكن هناك العديد من الاستخدامات التجارية والعلمية الأخرى للطاقة الضوئية، وبعضها مذكور فيما يلي .
- يعتمد الأضواء بالطاقة اللازمة لتوليد الغذاء لكل الكائنات الحية، إذ يعتمد كل كائن حي على الضوء للحصول على الطاقة والغذاء باستثناء عدد قليل من الكائنات ذات التغذية الكيميائية مثل البكتيريا .
- الرؤية هي القدرة الذي يتيح لأي كائن حي رؤية الأشياء من حوله بفضل وجود العيون، ومع ذلك فإن هذه القدرة قد تكون عديمة الفائدة بدون وجود الضوء، وتستقبل العيون الصورة عندما يسقط الضوء عليها، وتتم إرسال المعلومات إلى الدماغ، ومن ثم نرى الأشياء من حولنا .
- تعتبر الألوان جميلة في العالم، ويمكن أن تتحقق هذه الألوان بفضل الضوء الذي يتكون من العديد من الأطياف، ولكل طيف لون فريد على نطاق واسع.
أنواع الطاقة الضوئية
يمكن تصنيف الطاقة الضوئية إلى عدة أنواع هم :
- يمكن رؤية الضوء المرئي بالعين المجردة، وهو نوع من الطاقة الكهرومغناطيسية، والشمس هي المصدر الرئيسي للضوء المرئي، ويمكن أيضًا أن ينبعث من الفوانيس والمصابيح الكهربائية وغيرها .
- يشير الضوء تحت الحمراء إلى نوع من الطاقة الكهرومغناطيسية التي تنبعث منها الحرارة، ويتم استخدامه لتشغيل التلفزيون باستخدام جهاز التحكم عن بُعد، حيث تنتقل موجات الأشعة تحت الحمراء من جهاز التحكم عن بُعد إلى التلفزيون .
- تستخدم الأطباء الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية، وهي موجات ضوئية قصيرة، لالتقاط صور داخل أجسامنا واكتشاف الكسور في العظام، وحتى أطباء الأسنان يستخدمون الأشعة السينية للتحقق من عمق تسوس الأسنان .
الخصائص الرئيسية للضوء
- تعني الشدة أو كثافة الضوء معدل انبعاث الطاقة الضوئية الصادرة من المصدر، ويمكن التعبير عنها عادة بوحدة الوات، ويمكن أيضًا تعريفها على أنها سطوع يتم قياسه بوحدة سطح لكل وحدة زمنية أو طاقة لكل وحدة مساحة .
- – “يتمُّ تعريفُ تردُّدِ الضوءِ بأنَّهُ عددُ القممِ التي تمرُّ عبرَ نقطةٍ معينةٍ في الثانيةِ .
- الطول الموجي هو المسافة بين القمتين أو القاع المتتاليين للموجات الضوئية، وتمر الموجات الضوئية في الفراغ بنفس السرعة، وهناك علاقة عكسية بين الطول الموجي والتردد، حيث يصبح الطول الموجي أقصر عندما يزداد التردد .
- الاستقطاب هو عملية تحويل الضوء غير المستقطب إلى ضوء مستقطب بشكل عام، حيث تهتز الموجات الضوئية في أكثر من مستوى، وعندئذيُصبح الضوء غير المستقطب مستقطبًا .
- المرحلة هي نقطة معينة في الدورة الزمنية للموجة الدورية، وتزداد شدة الضوء عندما تكون الموجات في طور .
وحدات الطاقة الضوئية
- يمكن قياس الضوء بعدة وحدات .
- يتم قياس الطول الموجي للضوء بالأنجستروم والنانومتر .
- يتم قياس تردد الضوء بالهرتز .
- تُقاس الطاقة الضوئية بوحدات إلكترون فولت .
مصادر الطاقة الضوئية
بشكل عام تسمى الأشياء التي تنبعث منها ضوء ، بأنها مضيئة بينما تسمى الكائنات التي لا تنبعث منها ضوء ، ولكن يمكن أن تعكس الضوء من مصادر أخرى بأنها غير مضيئة ، هناك العديد من مصادر الطاقة الضوئية التي تم الحصول على بعضها من الطبيعة ، والبعض الآخر ينتج صناعياً ، أو يمكن الحصول عليه من أشكال أخرى من الطاقة ، وفيما يلي بعض مصادر الطاقة الضوئية .
- الشمس : وهي المصدر الطبيعي ، وتعتبر أقدم مصدر للطاقة الضوئية ، ضوء الشمس هو مصدر أساسي للعديد من العمليات الطبيعية ، مثل دورة المياه ، والتمثيل الضوئي ، والتعقيم ، والصرف الصحي وما إلى ذلك ، ويتم توليد الطاقة على الشمس بسبب اندماج الهيدروجين ، ويصل ضوء الشمس إلى الكواكب والأجسام الأخرى ، بما في ذلك الأرض .
- المصابيح الكهربائية هي مصدر هام للإضاءة في الصناعة، حيث يتم تسخين التنجستن الخيطي المعدني الموجود داخل المصباح عند تمرير التيار الكهربائي من خلاله، مما يؤدي إلى إصدار الضوء .
- يتم إنتاج لهب ينبعث منه ضوء عند حرق الوقود، وكان يستخدم هذا اللهب في الأيام السابقة خلال الليالي للرؤية قبل اختراع المصباح الكهربائي، والفوانيس هي أمثلة على ذلك .
- يتم توليد الحرارة وإطلاق الضوء أثناء الانفجارات الناتجة عن قنابل قوية، وعند اختبار القنبلة الذرية، سيتم إضاءة المنطقة بشكل كامل بضوء شديد .