الضوء الكمي: لنستكشف عالم الفوتون

تم تفضيل النموذج الموجي للضوء في أوائل القرن العشرين بعد تجربة الشق المزدوج التي أجراها يونج، والتي توضح أن الضوء الذي يسطع من خلال سلسلة من الشاشات ذات الشقوق الرفيعة ينتج عنه نمط ضوئي أفضل وصف باستخدام الموجات:

على الرغم من قدرة تجربة يونج على الإقناع، إلا أن النموذج الموجي لا يفسر كل السلوكيات الملحوظة للإشعاع الكهرومغناطيسي. يعتبر الوصف الكامل للضوء أكثر تعقيدًا لأنه يحتوي أيضًا على خصائص تشبه الجسيمات والتي سيتم استكشافها في هذا الدرس.

تبعث بعض المواد إلكترونات عندما يسقط عليها الضوء، وهذا ما يسمى التأثير الكهروضوئي. يحدث التأثير الكهروضوئي لأن الطاقة التي ينقلها الضوء يتم امتصاصها بواسطة الإلكترونات التي تصبح أكثر تهيجا لتهرب من المادة المضيفة:

هذه الملاحظة غير متسقة مع النموذج الموجي، حيث أن الموجات توفر الطاقة بشكل مستمر.

إذا كان الضوء ظاهرة موجية بحتة، فيجب دائمًا انبعاث الإلكترونات بمجرد امتصاص طاقة كافية، بغض النظر عن طول الموجة.

حل ألبرت أينشتاين هذه المعضلة بإدخال الفوتون - وهو حزمة كمية من الإشعاع الكهرومغناطيسي. تشير كلمة "كمية" إلى شيء لا يمكن فصله إلى أجزاء أصغر بشكل تعسفي.

يمتلك الفوتون العديد من الخصائص نفسها التي يتمتع بها النموذج الموجي للضوء، حيث يمتلك الاتجاه والطول الموجي والتردد، مما يعني أن الفوتون لا يزال يتمتع بخصائص شبيهة بالموجة. بالإضافة إلى ذلك، أثبت أينشتاين أن كل فوتون يحمل كمية معينة من الطاقة وأن الطاقة تعتمد على الطول الموجي للفوتون:

وبما أن الفوتونات عبارة عن حزم منفصلة من الضوء، فإن لها طاقة مرتبطة بها. وهذا على النقيض من النموذج الموجي حيث يكون للضوء شدة وتؤدي زيادة الكثافة إلى زيادة الطاقة بشكل مباشر.

ترتبط طاقة الفوتون بطول الموجة، حيث تتوافق الأطوال الموجية الأطول مع الطاقة الأقل. لكي ينبعث إلكترون من التأثير الكهروضوئي، يحتاج الفوتون الفردي إلى طاقة كافية - طول موجي قصير بما يكفي - لإخراج إلكترون فردي من المادة.

تؤدي زيادة الكثافة إلى زيادة عدد الفوتونات الساقطة، لكن المزيد من الفوتونات لا يؤدي بالضرورة إلى زيادة كمية الإلكترونات المنبعثة.

يتم تحديد طاقة الفوتون من خلال علاقة بلانك

E = hf

حيث ثابت بلانك هو

h=4.136×10^(-15) eV

وf هو تردد الفوتون

بالنظر إلى أن سرعة الضوء c ترتبط بالطول الموجي للضوء وتردده:

c=λf,

يمكن التعبير عن علاقة بلانك على النحو التالي:

E=λhc​,

الذي يصف طاقة الفوتون الواحد
يتم التعبير عن طاقة الفوتون بوحدات الإلكترون فولت

(eV)

الطاقة اللازمة لتحريك إلكترون عبر فرق جهد قدره 1 V.

تحتاج الإلكترونات الموجودة في المادة إلى 2.5 إلكترون فولت ليتم إطلاقها.

الفرق الرئيسي بين النموذج الموجي ونموذج الفوتون للضوء هو كيفية توصيل الطاقة.

في النموذج الموجي، يتم تسليم الطاقة بشكل مستمر، بينما يتم تسليم الطاقة في حزم منفصلة في نموذج الفوتون.

ومع ذلك، فإن التدفق المستمر من الفوتونات له كثافة.

كثافة تيار الفوتونات على سطح ما تساوي طاقة كل فوتون (E) ضرب كثافة الفوتونات (Φ)، أي عدد الفوتونات التي تصطدم بالسطح في الوحدة الزمنية:

P = قوة / مساحة = طاقة / مساحة × زمن = فوتونات / مساحة × زمن × طاقة / فوتون = ΦE..

الفوتونات والطاقة

تحمل الفوتونات الفردية كمية طاقة صغيرة جدًا وتقدم تأثيرات مدهشة في أنظمة الطاقة الشمسية والإشعاع.

يحمل الفوتون الفردى كمية طاقة صغيرة جدًا وصعب اكتشافه بمفرده. هذه ليست مشكلة، لأننا عادة ما نهتم بقياس الطاقة الإجمالية المسلمة بواسطة الإشعاع.

نظرًا لأن الفوتونات الفردية تحمل كمية طاقة قليلة جدًا، يمكن في كثير من الأحيان تقريب الطاقة التي تسلمها الفوتونات على أنها تسليم مستمر للطاقة، وفي هذه الحالات ليس مهمًا التمييز بين نموذج الموجة ونموذج الفوتون للضوء.

في معظم أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية، على سبيل المثال، لا يهم ما إذا كنا نعتقد بأن الضوء يتم تسليمه عن طريق الفوتونات أو الموجات.سيقدم الدرس التالي فكرة الفوتون، الذي يجيب على الأسئلة المتبقية حول الضوء وهو مهم للغاية لفهم كيفية عمل الخلايا الكهروضوئية.