تُعتبر مفاهيم الضوء وطاقة الكم من الموضوعات الحاسمة التي تُدرس عبر مختلف مراحل التعليم، حيث نسلط الضوء على النظريات العلمية التي تشغل بال الباحثين. سنستعرض العلاقة الوثيقة بين الضوء وطاقة الكم، بالإضافة إلى تفاعلات الجسيمات، وذلك في سياق هذا المقال.
ما هو الضوء وطاقة الكم
- ضوء هو وحدة تعبر عن الجزء الصغير من الطيف الكهرومغناطيسي.
- يمكن للعين البشرية اكتشاف الضوء الذي يتمثل في “الإشعاع المغناطيسي”.
- ينتقل عبر أشعة غاما بأطوال موجية معينة.
- تتراوح الأطوال الموجية للضوء بين 700 نانومتر للضوء الأحمر و400 نانومتر للضوء البنفسجي.
- تعتبر الشمس أكبر مصدر للطيف الكهرومغناطيسي على كوكب الأرض.
خصائص الضوء وطاقة الكم
تتعلق خصائص الضوء بالطيف الكهرومغناطيسي، وتتمثل كما يلي
خصائص بصرية
تشمل الخصائص التي يمكن أن تميزها العين، مثل الانعكاس والانكسار والاستقطاب والانتشار والحيود.
خصائص موجية
تعبر عن مكونات الضوء، حيث يتكون من موجتين واحدة كهربائية والأخرى مغناطيسية، مما يعني أنه يمتلك خصائص كلا الموجتين.
العلاقة بين الضوء وطاقة الكم
تربط العلاقة الوثيقة بين الضوء وطاقة الكم بين الضوء والمادة، وكذلك انتقال الموجات. سنوضح ذلك من خلال النقاط التالية
- طاقة الكم تشير إلى الحد الأدنى للطاقة التي يمكن أن تتبادل بين الجسيمات، سواء كانت سالبة أو موجبة.
- توضح نظرية الكم أن الضوء والمادة يتكونان من مجموعة من الجسيمات صغيرة الحجم، لكنهما يظهران خصائص موجية قوية.
- وبهذا، يمكننا رؤية الضوء كجسيمات وموجات، حيث يتواجد نوع معين من الجسيمات في حجم متناهي الصغر.
- يتكون الضوء من جسيمات صغيرة تعرف بالفوتونات، بينما تتكون المادة من إلكترونات وبروتونات ونيوترونات.
- هذا يعني أن الضوء يظهر كجسيم وموجة في نفس الوقت.
- أكد جيمس كلارك ماكسويل أن الضوء ما هو إلا موجة كهرومغناطيسية تنتقل عبر الفضاء بسرعة محددة، وهي سرعة الضوء.
- توجد علاقة بين تردد الضوء وطول موجته، يتم تحديدها بواسطة المعادلة التالية
- التردد = سرعة الضوء / الطول الموجي
- حيث تبلغ سرعة الضوء 3 * 10^8 م/ث.
- تتأثر موجات الضوء أيضًا بسبب التداخل والانعراج.
الطاقة بحسب السعة والشدة
- تتغير الطاقة الخاصة بالموجة اعتمادًا على سعتها وشدتها.
- تتراوح الأطوال الموجية للضوء بين 400 و750 نانومتر.
- يعبر عمل الضوء كجسيم (الفوتون) عن طاقة الضوء.
- في حالة الضوء الساطع، يُصدر الطاقة العديد من الإلكترونات ذات الطاقة الحركية الموحدة.
- تعتمد الطاقة الحركية على تفاعل الإلكترونات مع ما حولها.
- نتيجة لذلك، يحدث تغير في تردد الضوء، مما يؤثر على الطاقة الحركية للمزيد من الإلكترونات.
- نستنتج أن الطاقة الحركية تعتمد على تردد الضوء المنبعث، ويمكن التعبير عنها بالمعادلة
- التردد = طاقة الفوتون * h
- وبذلك، يتحرك الضوء من خلال شعاع معين يسمى الفوتون، الذي يجب أن يحمل طاقة كافية لإخراج الإلكترونات.
- ختامًا، تعبر طاقة الكم عن تفسير سلوك الضوء والمادة، مما يجمع بين خصائص الجسيمات وتفاعلاتها مع الذرات. حيث ينبعث الضوء من خلال جسيمات الفوتون نتيجة انتقال الإلكترون من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى أقل، مما يُثبت أن الضوء وطاقة الكم مرتبطان ارتباطًا وثيقًا.
ألوان الطيف الكهرومغناطيسية
نلاحظ اختلاف الأطوال الموجية بين المرئي وغير المرئي، حيث تشير الموجات المرئية إلى الطيف الكهرومغناطيسي. فيما يلي تفاصيل ذلك
- تُوزع الألوان في الطيف كالتالي (الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، البنفسجي).
- ناجم ذلك عن اختلاف الطول الموجي الذي يُنتج مجموعة من الموجات الكهرومغناطيسية.
- تقوم هذه الموجات بتوزيع الترددات ومستويات الطاقة ضمن النطاقات المنخفضة.
- يتكون الطيف الكهرومغناطيسي من موجات الراديو، أشعة جاما، الأشعة تحت الحمراء المرئية، الأشعة فوق البنفسجية، الميكروويف، وأشعة جاما.
- يتوزع كل نوع في موضعه الخاص داخل الطيف، باستثناء الألوان الستة السابقة.
- تختلف التقسيمات حسب طبيعة الطيف، وقد أضاف نيوتن اللون السابع (النيلي).
- هناك أيضًا ألوان قد تظهر وتختفي بعد حدوث الطيف، حيث تتمثل الفروقات في الكميات اللامحدودة بين الألوان ودرجاتها من الغامق إلى الفاتح.
في النهاية، قدمنا عرضًا شاملاً للمعلومات حول الضوء وطاقة الكم.