كيفية حساب طاقة الفوتون

كيفية حساب طاقة الفوتون

يُمكن حساب طاقة الفوتون من خلال معادلة بلانك الآتية:^[١]

طاقة الفوتون= ثابت بلانك × تردد الفوتون

وبالرموز؛ ط الفوتون= ث × ت؛ حيث أن:

• ط: طاقة الفوتون، بوحدة الجول.
• ث: ثابت بلانك، وتبلغ قيمته 6.626 × 10^-34 جول في الثانية.
• ت: تردد الفوتون، بوحدة الهيرتز.

وبالرموز الإنجليزية؛ E = hν، حيث أن:

• E: إجمالي طاقة فوتون واحد.
• h: ثابت بلانك
• ν: تردد الفوتون.

ومن هذه العلاقة يتضح أنّ تردد الفوتون يتناسب طردياً مع طاقته، أيّ أنّه كلّما تضاعف التردد تضاعفت طاقة الفوتون.^[١]

ويجدر بالذكر أنّ جميع الفوتونات تتحركة بسرعة واحدة وهي سرعة الضوء والتي تبلغ 2.998 × 10⁸ م/ ث، كما أنّ الطاقة تختلف باختلاف ألوان الطيف الكهرومغناطيسي، وتتحرك كلّ منها بطول موجي معين، لذا إذا كانت قيمة تردد الفوتون معطاة يُمكننا حساب طاقة الفوتون باستخدام المعادلة السابقة، أمّا إذا كان لدينا الطول الموجي فيُمكن حساب طاقة الفوتون من المعادلة الآتية:^[٢]

طاقة الفوتون= ثابت بلانك × سرعة الضوء/الطول الموجي

وبالرموز؛ ط فوتون= ث × ع الضوء/ ط، حيث أن:

• ط: طاقة الفوتون، بوحدة الجول.
• ث: ثابت بلانك، وتبلغ قيمته 6.626 × 10^-34جول في الثانية.
• ع: سرعة الضوء، بوحدة م/ث.
• ط: الطول الموجي، بوحدة المتر.

وبالرموز الإنجليزية؛ E = hc / λ، حيث أن:

• E: إجمالي طاقة فوتون واحد.
• λ: الطول الموجي.
• h: ثابت بلانك
• c: سرعة الضوء.

ومن هذه العلاقة يتضح أنّ الطول الموجي للفوتون يتناسب عكسياً مع طاقته، فمثلًا الضوء الأزرق له طول موجي قصير وطاقة فوتونات عالية، بينما الضوء الأحمر له طول موجي طويل وطاقة فوتونات منخفضة.^[٢]

ما هو الفوتون؟

يُعرف الفوتون بأنه جزء صغير من الطاقة يتحرّك بسرعة الضوء، وله طول موجي وتردد معين،^[١] ويعرف الفوتون أيضًا بالكمّ الضوئي، وقد عرّفه ألبرت آينشتاين عام 1905م عند تفسيره للتأثير الكهروضوئي وملاحظته لوجود حزم من الطاقة المنفصلة أثناء انتقال الضوء، وقد مهّد لهذا المفهوم الألماني ماكس بلانك عام 1900م عند ملاحظته لانبعاث الإشعاع الحراري وامتصاصه في وحدات منفصلة، ويُشار إلى أنّ مصطلح الفوتون استُخدم في عام 1926م، إذ تبيّن أنّ الفوتون يتحرك بسرعة الضوء وتعتمد طاقته على تردد الإشعاع، كما تنبعث الفوتونات من جميع أنواع الطاقات مثل؛ أشعة جاما، والأشعة السينية، والأشعة تحت الحمراء وغيرها، وتُعدّ الفوتونات أيضاً جسيمات لا تمتلك شحنةً كهربائيةً ولا كتلةً سكونيةً، حيث يُعتقد بأنّها جُسيمات حاملة للمجال الكهرومغناطيسي.^[٣]

خصائص الفوتون

تمتلك الفوتونات عدّة خصائص أساسية، وهي كالآتي:^[٤]

• لا يتصرّف الفوتون مثل موجة فحسب، بل يتصرّف كجسيم أيضاً.
• تتحرك جميع الفوتونات بسرعة ثابتة وهي سرعة الضوء.
• كتلة الفوتونات تساوي صفر.
• يُمكن إنشاء الفوتونات أو تدميرها عند انبعاث الشعاع أو امتصاصه.
• ترتبط طاقة وزخم الفوتون بتردد الإشعاع أو الطول الموجي له.
• تستطيع الفوتونات التفاعل مع الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات، ومن أمثلة ذلك؛ ظاهرة كومبتون، والتي تتسبّب بإطلاق إلكترونات بعد أن تتصادم جسيمات الضوء بالذرات.

الموجات الكهرومغناطيسية والفوتونات

تنتج الموجات الكهرومغناطيسية من التذبذبات الصادرة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية، إذ إنّ هذه الموجات تُطلق إشعاعات تتفاعل معها الشحنات المتحركة للذرات والجزيئات والتي تكون على شكل غيوم إلكترونية، ويُشار إلى أنّ الإلكترون يكون في حالة منخفضة للطاقة عندما يُصدر حزمةً منفصلةً من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وإذا أراد نفس الإلكترون أن يصل إلى مستوى أعلى من الطاقة؛ سيمتصّ حزمةً منفصلةً من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتعتمد هذه الطاقة على تردد الموجة الكهرومغناطيسية، ولذلك تقوم الذرات بامتصاص وإصدار ترددات معيّنة من الإشعاع الكهرومغناطيسي وِفقاً للطاقة الكمّية المرتبطة بها، وتسمّى حزم الطاقة هذه الفوتونات.^[٥]

يُعرف الفوتون بأنه جزء صغير من الطاقة يتحرّك بسرعة الضوء، وله طول موجي وتردد معين، ويمكن حساب طاقته من خلال العلاقة؛ طاقة الفوتون= ثابت بلانك × تردد الفوتون، عندما يكون تردد الفوتون معطى، أو باستخدام العلاقة؛ طاقة الفوتون= ثابت بلانك × سرعة الضوء/الطول الموجي، إذا أعطي الطول الموجي للطيف الكهرومغناطيسي، وقد ساهم العديد من العلماء في دراسة الفوتونات، ومنهم؛ ألبرت آينشتاين، وماكس بلانك الذي وضع قانون بلانك لحساب طاقة الفوتونات.

المراجع

1. ^ ^{أ ب ت} "Energy of a Photon", mccord, Retrieved 17/6/2021. Edited.
2. ^ ^{أ ب} "Energy of Photon", pveducation, Retrieved 17/6/2021. Edited.
3. ↑ "Photon", britannica, 12-2-2021, Retrieved 17/6/2021. Edited.
4. ↑ Andrew Jones (3/9/2018), "What Is a Photon in Physics?", ThoughtCo, Retrieved 17/6/2021. Edited.
5. ↑ GAYLE TOWELL (28/12/2020), "Light (Physics): What Is It & How Does It Work?", SCIENCING, Retrieved 17/6/2021. Edited.