ما هي طاقة الفوتون؟ وكيف يمكن حسابها؟

كتابة:
ما هي طاقة الفوتون؟ وكيف يمكن حسابها؟

ماذا يُقصد بطاقة الفوتون؟

طاقة الفوتون (بالإنجليزية: Photon energy)، هي مقدار الطاقة الصادرة عن الذرة بسبب انتقال الإلكترون عبر مستويات الطاقة؛ فعندما يتحرّك الإلكترون المرتبط بالذرة ويدور حولها من مستويات طاقة أعلى إلى مستويات طاقة أدنى يؤدي ذلك إلى فقدان طاقة دقيقة من الإلكترون نفسه تسمى طاقة الفوتون، مع ضرورة العلم بأنّ الإلكترونات السالبة تميل بشكل عام إلى المكوث في مستويات الطاقة الأقل حول الذرّة والتي تكون أبعد عن نواتها مما يُسهّل حركتها.[١]


ما هي معادلة طاقة الفوتون؟

تنص معادلة طاقة الفوتون بشكل عام على أنّ طاقة الفوتون تتناسب مع الطول الموجي تناسبًا عكسيًا؛ فكلما زاد الطول الموجي قلّت طاقة الفوتون،[٢] كما تتناسب طاقة الفوتون مع التردد تناسبًا طرديًا؛ فكلما زاد التردد ازدادت طاقة الفوتون،[٣] ويمكن التعبير عن قانون طاقة الفوتون بطريقتين:[٤]

المعادلة الأولى لحساب طاقة الفوتون

يتم حساب طاقة الفوتون من خلال القانون: طاقة الفوتون= ثابت بلانك × سرعة الضوء/ الطول الموجي، وبالرموز؛ E= hc/ λ، إذ إنّ:[٤]

  • E: طاقة الفوتون، مُقاسة بوحدة الجول (J) المتعارف عليها في النظام العالمي للوحدات للتعبير عن الطاقة، كما يمكن التعبير عنها بوحدة إلكترون فولت (eV) التي يتم استخدامها عادةً للجسيمات الصغيرة بدلًا من وحدة الجول.
  • h: ثابت بلانك، وقيمته تعادل 6.626 × 10 -34 (جول. ثانية).
  • c: سرعة الضوء، وهي قيمة ثابتة تكافئ عادةً 2.998 × 108 (متر/ ثانية).
  • λ: الطول الموجي، ووحدته ميكرومتر (µm).

ملاحظات:[٤]

  • 1 إلكترون فولت (eV) تكافئ 1.602 × 10-19 جول (J).
  • يمكن الاستعاضة عن ضرب الثابتين؛ ثابت بلانك وثابت سرعة الضوء في كلّ مرة بوضع القيمة 1.99 × 10-25 (جول. متر) مباشرةً.

المعادلة الثانية لحساب طاقة الفوتون

يمكن أيضًا التعبير عن قانون طاقة الفوتون بالصيغة الآتية: طاقة الفوتون= ثابت بلانك × تردد الفوتون، وبالرموز؛ E= hν، حيث إنّ:[٢]

  • E: طاقة الفوتون، بوحدة الجول (J).
  • h: ثابت بلانك، 6.626 × 10 -34 (جول. ثانية).
  • v: تردد الإشعاع أو تردد الفوتون، بوحدة (ث-1)، والمتعارف عليه بوحدة هيرتز (Hz).

بشكل عامّ، يتناسب التردد والطول الموجي للفوتونات تناسبًا عكسيًا دائمًا؛ فيقل الطول الموجي للفوتون بزيادة التردد، فمثلًا في حال تضاعف التردد لفوتون معيّن مرّتين فإن الطول الموجي سيقل بمقدار النصف بالضبط لذلك الفوتون.[٥]


أمثلة على حساب طاقة الفوتون

كيف يمكن حساب طاقة الفوتون؟ فيما يأتي مسائل على طاقة الفوتون مع توضيح آلية الحل:

المثال الأول

إذا كان تردّد فوتون يكافئ 3.2x1014 هيرتز، فما هي طاقة الفوتون المتوقعة بوحدة جول (J) ووحدة إلكترون فولت (eV)؟[٦]

  • الحل:[٦]
    • القانون المناسب للاستخدام هو: E= hv.
    • التردد (v) = 3.2x1014 هيرتز... (مُعطى)
    • ثابت بلانك (h) = 6.626 × 10 -34 (جول. ثانية).
    • إذًا، E= 3.2x1014*6.626 × 10 -34.
    • ومنه، طاقة الفوتون (E) = 2.12x10-19 جول (J).
    • ولتحويل الوحدة إلى (eV) لا بدّ من قسمة الطاقة المحسوبة بوحدة جول على 1.602 × 10-19.
    • 2.12/ 1.602= 1.3 إلكترون فولت (eV).

المثال الثاني

إذا كان الطول الموجي (λ) للأشعة فوق البنفسجية يكافئ 225 نانومتر (nm)، فكم ستكون طاقة كل فوتون بوحدة الجول (J)؟[٦]

  • الحل:[٦]
    • القانون المناسب للاستخدام هو: E= hc/ λ.
    • ثابت بلانك (h) = 6.626 × 10 -34 (جول. ثانية).
    • سرعة الضوء (c) = 2.998 × 108 (متر/ ثانية).
    • الطول الموجي (λ) = 225 *10-9 متر ... (مُعطى).
    • إذًا، طاقة الفوتون (E) = 6.626 × 10 -34 *2.998 × 108 /225 *10-9
    • E = 8.83* 10-19 J، وهي طاقة الفوتون الواحد من الأشعة فوق البنفسجية.

المثال الثالث

إذا كان الطول الموجي (λ) للأشعة الحمراء الصادرة عن ليزر هيليوم- نيون يكافئ 633 نانومتر (nm)، فكم تبلغ طاقة الفوتون الواحد؟[٣]

  • الحل:[٣]
    • القانون المناسب للاستخدام هو: E= hc/ λ.
    • ثابت بلانك (h) = 6.626 × 10 -34 (جول. ثانية).
    • سرعة الضوء (c) = 2.998 × 108 (متر/ ثانية).
    • الطول الموجي (λ) = 663 *10-9 متر ... (مُعطى).
    • إذًا، طاقة الفوتون (E) = 6.626 × 10 -34 *2.998 × 108 /663*10-9
    • E = 3.14* 10-19 J، وهي طاقة الفوتون الواحد من الأشعة الحمراء الناتجة عن ليزر هيليوم- نيون.

المثال الرابع

إذا كان الطول الموجي (λ) لأشعة ضوء المصباح تعادل 500 نانومتر (nm)، فكم ستكون طاقة الفوتون الواحد؟[٧]

  • الحل:[٧]
    • القانون المناسب للاستخدام هو: E= hc/ λ.
    • ثابت بلانك (h) = 6.626 × 10 -34 (جول. ثانية).
    • سرعة الضوء (c) = 2.998 × 108 (متر/ ثانية).
    • الطول الموجي (λ) = 500*10-9 متر ... (مُعطى).
    • إذًا، طاقة الفوتون (E) = 6.626 × 10 -34 *2.998 × 108 /500*10-9
    • E = 3.97* 10-19 J.


معلومات عن الفوتونات

ما خصائص الفوتونات؟ وما الفرق بينها وبين الإلكترونات؟

خصائص الفوتونات

يمكن رؤية أشعة الضوء التي تسير في الفراغ بالعين المجرّدة، وتتكوّن كل حزمة من هذه الأشعة من عدد كبير جدًا من الفوتونات،[٨]ومن أهم خصائص الفوتون ما يأتي:

  • ليس له كتلة أو طاقة ساكنة، إذ يتواجد على شكل جسيمات أولية دائمة الحركة.[٨]
  • تعد الفوتونات جسيمات مستقرة ولا تملك شحنة.[٨]
  • تعتمد طاقته بشكل أساسي على قيمة التردد.[٨]
  • يمكن للفوتونات التفاعل مع الجسيمات الأخرى؛ كالإلكترون مثلًا.[٨]
  • يسير الفوتون بسرعة الضوء في الفراغ والتي تساوي 2.998 × 108 (متر/ ثانية) في الفراغ.[٩]
  • يمكن إطلاقه وامتصاصه كحزمة من الأشعة.[٨]

الفرق بين الفوتون والإلكترون

يكمن الفرق بين الفوتون والإلكترون، في أنّ الإلكترون عبارة عن جسيم تحت ذرّي له شحنة سالبة، يدور داخل الذرة حول النواة أو قد يتواجد بشكل حرّ،[١٠] أمّا الفوتون فهو مجموعة أو حزمة من الموجات الكهرومغناطيسية التي لا تملك شحنة محددة ، كما أنّها تتصرّف كجسيم أيضًا،[١١] ومن الأمثلة عليها؛ فوتونات الضوء والتي يمكن رؤيتها بالعين المجرّدة، ويؤدي تدفّق كل من الإلكترونات والفوتونات معًا إلى سير التيار الكهربائي داخل الأسلاك الموصلة.[١٠]

المراجع

  1. ↑ "Emission", phys.ksu, Retrieved 13/06/2021. Edited.
  2. ^ أ ب "6.3 How is energy related to the wavelength of radiation?", e-education, Retrieved 13/06/2021. Edited.
  3. ^ أ ب ت Todd Helmenstine (01/07/2020), "How to Solve an Energy From Wavelength Problem", thoughtco, Retrieved 14/06/2021. Edited.
  4. ^ أ ب ت "Energy of Photon", pveducation, Retrieved 13/06/2021. Edited.
  5. ↑ Lipi Gupta (15/12/2020), "How to Calculate the Energy of Photons", sciencing, Retrieved 14/06/2021. Edited.
  6. ^ أ ب ت ث "Particles and Waves:", pstcc, Retrieved 14/06/2021. Edited.
  7. ^ أ ب Michael Kennedy (16/08/2020), "Photons", libretexts, Retrieved 14/06/2021. Edited.
  8. ^ أ ب ت ث ج ح Tibi Puiu (28/01/2021), "What exactly is a photon? Definition, properties, facts", zmescience, Retrieved 13/06/2021. Edited.
  9. ↑ Andrew Zimmerman Jones (03/09/2018), "What Is a Photon in Physics?", thoughtco, Retrieved 14/06/2021. Edited.
  10. ^ أ ب "What is the difference between an electron and a photon?", quantumphysicslady, 08/10/2018, Retrieved 13/06/2021. Edited.
  11. ↑ Anne Marie Helmenstine, Ph.D. (01/02/2019), "Photon Definition", thoughtco, Retrieved 14/06/2021. Edited.
4591 مشاهدة
للأعلى للسفل
×