ماذا تعرف عن طاقة الفوتون؟

1 إجابة واحدة

يمكن القول أنّ الإشعاع الكهرومغناطيسي عبارة عن تيار من الفوتونات، بحيث يحمل كل فوتون منها مقدارًا معينًا من الطاقة، وهو معدوم كتلة السكون، ومعدوم الشحنة الكهربائية، ويتحرك في الفراغ بسرعة الضوء وفق نمط يشبه الموجة.

تنشأ الفوتونات عندما يكتسب أحد إلكترونات الغلاف الذري كمية من الطاقة تجعله يقفز إلى مستوى طاقة أعلى، لكنه سرعان ما يعود إلى مستوى الطاقة الأدنى الذي كان عليه، محررًا فرق الطاقة التي اكتسبها على شكل فوتون ضوئي، بحيث يمتلك هذا الفوتون طول موجي محدد أو تردد محدد.

ومن هذه النقطة، يمكن القول أنّ الفرق بين موجات الراديو والضوء المرئي وأشعة جاما على سبيل المثال يكمن في طاقة الفوتونات؛ بحيث تمتلك الموجات الراديوية فوتونات ذات المقدار الأقل من الطاقة، في حين تمتلك الموجات الدقيقة طاقةً أعلى بقليل من موجات الراديو، تليها الأشعة تحت الحمراء، ثمّ الأشعة المرئية، فالأشعة فوق البنفسجية، ثم الأشعة السينية، وأخيرًا أشعة جاما بفوتونات ذات الطاقة الأعلى.

تحدد كمية الطاقة التي يحملها الفوتون طريقة تصرفه؛ كأن يتصرف كموجة أو كجسيم، وهذا ما يُعرَف بإزدواجية الموجة والجسيم. ومن المهم أن نشير هنا إلى أننا لا نتحدث عن اختلاف ماهية الضوء، وإنما الاختلاف يكمن في كيفية تصرفه؛ فالفوتونات منخفضة الطاقة كالفوتونات الراديوية تتصرف بشكلٍ أشبه للموجات، في حين أنّ الفوتونات ذات الطاقة العالية كفوتونات الأشعة السينية تتصرف بشكلٍ أشبه للجسيمات.

وكما ذُكِر أعلاه فإنّ كل فوتون يختزن مقدارًا معينًا من الطاقة، وهو يتعلق بالطول الموجي للأشعة حسب ما تبينه المعادلة:

E=h.c/λ(جول)

h: هو ثابت بلانك وهو يساوي (6.626x10−34) جول.ثانية.

c: سرعة الضوء وتساوي 299,800 كيلومتر في الثانية.

λ: هو الطول الموجي للأشعة.

وعند تعويض الثوابت في المعادلة السابقة ينتج لدينا الثابت h.c وهو يساوي (1.99x10−25 جول-متر).

ونستنتج من المعادلة أنّ العلاقة ما بين طاقة الأشعة والطول الموجي للأشعة هي علاقة عكسية، فالضوء الذي يتكون من فوتونات عالية الطاقة له طول موجي قصير، في حين أنّ الضوء الذي يتكون من فوتونات منخفضة الطاقة يكون ذو طول موجي طويل.

لكن، عندما تتصرف الفوتونات كجسيمات كما في حالة الأشعة عالية الطاقة، فإنّ وحدة التعبير عن الطاقة تصبح إلكترون-فولت بدلًا من جول، فالإلكترون فولت eV هو كمية الطاقة التي يكتسبها إلكترون ما عند تسريعه بتطبيق جهد كهربائي ساكن مقداره 1 فولت، ويكون كل 1 إلكترون فولت = 1.602x10−19 جول.

وبناءً عليه، يمكننا إعادة كتابة الثابت hc استنادًا على الإلكترون فولت ليصبح (1.24×10−6الكترون فولت-متر)، كما يجب أن تكون واحدة الطول الموجي معطاة بالميكرومتر بدلًا من متر، وبعد التحويل يصبح الثابت hc يساوي= 1.24 إلكترون فولت-ميكرومتر

إذًا نحصل في النهاية على العلاقة التي تربط ما بين طاقة الفوتون المقدرة بالإلكترون فولت والطول الموجي المقدر بالميكرومتر، وهي على الشكل التالي:

E= 1.24/λ(إلكترون فولت)

تمتلك فوتونات الأشعة السينية طاقة تتراوح ما بين 100 إلى 100,000 إلكترون فولت، في حين تمتلك فوتونات أشعة جاما طاقةً أعلى من 100,000 إلكترون فولت، وهي الأشعة الأشد طاقةً على الإطلاق، وتستطيع النفاذ والمرور عبر أنواع عديدة من المواد بما فيها الأنسجة البشرية، مما يجعلها شديدة الخطورة بالنسبة للإنسان.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ماذا تعرف عن طاقة الفوتون؟"؟