الضوء وطاقة الكم: شرح مع أمثلة

الطبيعة الموجية للضوء

يتكون الضوء من موجات من مجالات كهربائية ومغناطيسية، أي موجات كهرومغناطيسية، تتحرك بشكل عمودي مع اتجاه حركة الموجة، بحيث تكون متعامدة مع بعضها البعض، ويسمى الضوء أيضًا بالموجة الكهرومغناطيسية أو الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتتصف هذه الموجات الكهرومغناطيسية بخاصيتين؛ الطول الموجي، وهو المسافة بين قمم الموجات، والتردد وهو عدد الموجات التي تعبر نقطة في الثانية، حيث تُعطى العلاقة بين الطول الموجي والتردد بالمعادلة الآتية:^[١]

التردد = سرعة الضوء / الطول الموجي

وبالرموز:

f = c / λ

وتُعطى سرعة الضوء في الفراغ بقيمة ثابتة تبلغ  متر/ ثانية.

نظرية الكم والطبيعة المادية للضوء

كان تفسير طبيعة الضوء مثار جدل بين العلماء، فمنهم من اقترح أن للضوء طبيعة مادية؛ أي أنه يتكون من جسيمات مثل العالم إسحاق نيوتن الذي اقترح أن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة جدًا تسمى فوتونات، ومنهم من اعتقد أن للضوء طبيعة موجية، يتكون من موجات كهرومغناطيسية تنتشر بشكل عمودي على اتجاه حركتها مثل العالم كريستيان هيغنز.^[١]

ونجح هيغنز باشتقاق قوانين انعكاس وانكسار الضوء باستخدام نظريته، كما نجح في شرح الانتشار الخطي والكروي للضوء، ثم أثبتت التجربة التي أجراها العالم توماس يونغ على تداخل الضوء صحة نظرية موجات هيغنز للضوء، ولكنه لم ينجح في تفسير ظاهرة حيود الضوء.^[١]

وفشلت النظرية الموجية للضوء أيضًا بتفسير ظاهرة تعرف باسم التأثير الكهروضوئي، وهي ظاهرة تفيد بأنه عند توجيه مصدر ضوء على معدن، تتحرر إلكترونات هذا المعدن، من هنا اتضح أن هناك حاجة إلى نموذج جديد تمامًا لوصف طبيعة الضوء، تم تطوير هذا النموذج من قبل ألبرت أينشتاين، الذي أن الضوء يمتلك خصائص الجسيمات والموجات عام 1905م، حيث اقترح أن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة تسمى الفوتونات، يمكن تحديد طاقتها باستخدام الصيغة التي ابتكرها بلانك لطاقة الفوتون، والتي توضح أيضًا أن الطاقة تتناسب طرديًا مع تردد الضوء.^[١][٢]

طاقة الفوتون = ثابت بلانك * تردد الضوء

أو بالرموز:

E = hf

حيث يساوي هو ثابت بلانك (h) 6.63 × 10^-34 جول-ثانية.

أمثلة على الضوء وطاقة الكم

فيما يلي عدة أمثلة على حساب طاقة الفوتون:^[٣]