العملية الكهروضوئية

العمليات الكهروضوئية هي عمليات في مجال الكيمياء الكهروضوئية ؛ وهي عادةً ما تتضمن تحويل الضوء إلى أشكال أخرى من الطاقة. ^{[ 1 ]} تنطبق هذه العمليات على الكيمياء الضوئية ، والليزر المضخ ضوئيًا ، والخلايا الشمسية الحساسة ، والتألق الضوئي ، والتغير اللوني الضوئي .

إثارة الإلكترون هي انتقال الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى . يمكن أن يحدث هذا إما عن طريق الإثارة الضوئية ، حيث يمتص الإلكترون الأصلي الفوتون ويكتسب كامل طاقته، أو عن طريق الإثارة الكهربائية ، حيث يمتص الإلكترون الأصلي طاقة إلكترون آخر ذي طاقة عالية. في الشبكة البلورية لأشباه الموصلات، تُعد الإثارة الحرارية عمليةً تُوفر فيها اهتزازات الشبكة طاقةً كافيةً لنقل الإلكترونات إلى نطاق طاقة أعلى . عندما يعود الإلكترون المُثار إلى مستوى طاقة أدنى، يُسمى ذلك استرخاء الإلكترون. يمكن أن يحدث هذا عن طريق إشعاع فوتون أو عن طريق نقل الطاقة إلى جسيم ثالث. ^{[ 2 ]}

في الفيزياء، يوجد تعريف تقني محدد لمستوى الطاقة ، والذي يرتبط غالبًا بإثارة الذرة إلى حالة مثارة . وبشكل عام، تُقاس الحالة المثارة بالنسبة للحالة الأرضية ، حيث تكون الحالة المثارة عند مستوى طاقة أعلى من الحالة الأرضية.

الإثارة الضوئية هي آلية إثارة الإلكترونات عن طريق امتصاص الفوتونات ، عندما تكون طاقة الفوتون منخفضة جدًا بحيث لا تُسبب التأين الضوئي. ويحدث امتصاص الفوتون وفقًا لنظرية بلانك الكمية.

يلعب التحفيز الضوئي دورًا في عملية التماثل الضوئي. ويُستغل التحفيز الضوئي في الخلايا الشمسية الحساسة للأصباغ ، والكيمياء الضوئية ، والتألق الضوئي ، والليزر المضخ ضوئيًا ، وفي بعض التطبيقات الفوتوكرومية .

في الكيمياء ، يُعرف التماثل الضوئي بأنه سلوك جزيئي ينتج عنه تغير بنيوي بين المتصاوغات بفعل الإثارة الضوئية. توجد تفاعلات تماثل ضوئي قابلة للانعكاس وأخرى غير قابلة للانعكاس. مع ذلك، يشير مصطلح "التماثل الضوئي" عادةً إلى عملية قابلة للانعكاس. تُستخدم الجزيئات القابلة للتماثل الضوئي حاليًا في تطبيقات عملية، على سبيل المثال، في أصباغ الأقراص المدمجة القابلة لإعادة الكتابة ، وأقراص DVD ، وحلول تخزين البيانات البصرية ثلاثية الأبعاد . إضافةً إلى ذلك، انصبّ الاهتمام مؤخرًا على الجزيئات القابلة للتماثل الضوئي في الأجهزة الجزيئية، مثل المفاتيح ^{الجزيئية ، والمحركات} الجزيئية ^{، والإلكترونيات الجزيئية} .

يمكن تصنيف سلوك التماثل الضوئي تقريبًا إلى عدة فئات. فئتان رئيسيتان هما التحول من الشكل العابر إلى الشكل المقابل (أو من E إلى Z)، وانتقال الحلقة المفتوحة إلى المغلقة. من أمثلة الفئة الأولى الستيلبين والأزوبنزين . يحتوي هذا النوع من المركبات على رابطة ثنائية ، ويؤدي الدوران أو الانقلاب حول هذه الرابطة إلى التماثل بين الحالتين. من أمثلة الفئة الثانية الفولجيد وثنائي أريل الإيثين . يخضع هذا النوع من المركبات لانشطار الروابط وتكوينها عند تعريضه لأطوال موجية محددة من الضوء. وهناك فئة أخرى هي إعادة ترتيب ثنائي باي الميثان .

التأين الضوئي هو العملية الفيزيائية التي يقوم فيها فوتون ساقط بقذف إلكترون واحد أو أكثر من ذرة أو أيون أو جزيء . وهي في جوهرها نفس العملية التي تحدث مع التأثير الكهروضوئي في المعادن. أما في حالة الغازات أو الذرات المفردة، فيُستخدم مصطلح التأين الضوئي بشكل أكثر شيوعًا. ^{[ 5 ]}

تحمل الإلكترونات المنبعثة، والمعروفة بالإلكترونات الضوئية ، معلوماتٍ عن حالاتها قبل التأين. فعلى سبيل المثال، يمكن أن يمتلك إلكترون واحد طاقة حركية تساوي طاقة الفوتون الساقط مطروحًا منها طاقة ربط الإلكترون في الحالة التي غادرها. أما الفوتونات ذات الطاقات الأقل من طاقة ربط الإلكترون، فقد تُمتص أو تتشتت، لكنها لن تُؤين الذرة أو الأيون ضوئيًا. ^{[ 5 ]}

على سبيل المثال، لتأيين الهيدروجين ، تحتاج الفوتونات إلى طاقة أكبر من 13.6 إلكترون فولت ( طاقة ريدبيرغ )، وهو ما يتوافق مع طول موجي قدره 91.2 نانومتر . ^{[ 6 ]} بالنسبة للفوتونات ذات الطاقة الأكبر من ذلك، تُعطى طاقة الإلكترون الضوئي المنبعث بالعلاقة التالية:

${\displaystyle {mv^{2} \over 2}=h\nu -13.6eV}$

حيث h هو ثابت بلانك و ν هو تردد الفوتون.

تحدد هذه الصيغة التأثير الكهروضوئي .

لا يؤدي كل فوتون يصطدم بذرة أو أيون إلى تأيينه ضوئيًا. يرتبط احتمال التأين الضوئي بمقطع التأين الضوئي ، الذي يعتمد على طاقة الفوتون والهدف المدروس. بالنسبة لطاقات الفوتونات الأقل من عتبة التأين، يكون مقطع التأين الضوئي قريبًا من الصفر. ولكن مع تطور الليزر النبضي، أصبح من الممكن توليد ضوء متماسك شديد الكثافة، حيث يمكن أن يحدث تأين متعدد الفوتونات. عند كثافات أعلى (حوالي 10¹⁵ ^- 10¹⁶ ^واط /سم² ^من الأشعة تحت الحمراء أو الضوء المرئي)، تُلاحظ ظواهر غير اضطرابية مثل تأين كبح الحاجز ^{[ 7 ]} وتأين إعادة التشتت ^{[ 8 ] .}

في فيزياء أشباه الموصلات، تتمثل ظاهرة فوتو-ديمبر (نسبةً إلى مكتشفها هـ. ديمبر) في تكوّن ثنائي قطب شحني بالقرب من سطح شبه موصل بعد توليد ضوئي فائق السرعة لحاملات الشحنة. يتشكل ثنائي القطب نتيجةً لاختلاف حركية (أو ثوابت انتشار) الثقوب والإلكترونات، والذي يؤدي، بالإضافة إلى كسر التناظر الذي يوفره السطح، إلى فصل فعال للشحنات في الاتجاه العمودي على السطح. ^{[ 12 ]}

ينص قانون غروثوس -دريبر (المعروف أيضًا بمبدأ التنشيط الكيميائي الضوئي ) على أن الضوء الذي يمتصه النظام هو وحده القادر على إحداث تغيير كيميائي ضوئي. يجب أن تكون المواد، مثل الأصباغ والفوسفورات ، قادرة على امتصاص الضوء عند الترددات الضوئية. يوفر هذا القانون أساسًا لظاهرتي التألق والتفسفر . وقد اقترح هذا القانون لأول مرة عام 1817 من قبل ثيودور غروثوس ، ثم بشكل مستقل عام 1842 من قبل جون ويليام دريبر . ^{[ 5 ]}

يُعتبر هذا أحد القانونين الأساسيين للكيمياء الضوئية . أما القانون الثاني فهو قانون ستارك-أينشتاين ، الذي ينص على حدوث تفاعلات كيميائية أو فيزيائية أولية مع كل فوتون يتم امتصاصه. ^{[ 5 ]}

سُمّي قانون ستارك -أينشتاين نسبةً إلى الفيزيائيين الألمانيين يوهانس ستارك وألبرت أينشتاين ، اللذين وضعا القانون بشكل مستقل بين عامي 1908 و1913. ويُعرف أيضاً بقانون التكافؤ الكيميائي الضوئي أو قانون التكافؤ الضوئي . وينص القانون أساساً على أن كل فوتون يتم امتصاصه سيُحدث تفاعلاً كيميائياً أو فيزيائياً (أولياً). ^{[ 13 ]}

الفوتون هو كمّ من الإشعاع، أو وحدة واحدة من الإشعاع. لذا، فهو وحدة واحدة من الإشعاع الكهرومغناطيسي تساوي ثابت بلانك ( h ) مضروبًا في تردد الضوء. ويُرمز لهذه الكمية بالرمز γ أو hν أو ħω .

يُعاد صياغة قانون التكافؤ الكيميائي الضوئي على النحو التالي: لكل مول من المادة المتفاعلة، يتم امتصاص مول مكافئ من كميات الضوء. الصيغة هي: ^{[ 13 ]}

${\displaystyle \Delta E_{\text{mol}}=N_{\text{A}}h\nu }$

حيث N _A هو ثابت أفوجادرو .

ينطبق قانون التكافؤ الكيميائي الضوئي على جزء التفاعل المحفز بالضوء والذي يشار إليه بالعملية الأولية (أي الامتصاص أو التألق ). ^{[ 13 ]}

في معظم التفاعلات الكيميائية الضوئية، تتبع العملية الأولية عادةً ما يُطلق عليها اسم العمليات الكيميائية الضوئية الثانوية، وهي تفاعلات طبيعية بين المواد المتفاعلة لا تتطلب امتصاص الضوء. ونتيجةً لذلك، لا يبدو أن هذه التفاعلات تخضع لعلاقة الكم الواحد بجزيء واحد من المواد المتفاعلة. ^{[ 13 ]}

ويقتصر القانون كذلك على العمليات الكيميائية الضوئية التقليدية التي تستخدم مصادر ضوئية ذات شدة معتدلة؛ ومن المعروف أن مصادر الضوء عالية الشدة، مثل تلك المستخدمة في التحليل الضوئي الوميضي وفي تجارب الليزر، تسبب ما يسمى بالعمليات ثنائية الفوتون؛ أي امتصاص جزيء من مادة ما لفوتونين من الضوء. ^{[ 13 ]}

في الفيزياء ، يُعرف امتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي بأنه الطريقة التي تمتص بها المادة، وخاصة إلكترونات الذرة، طاقة الفوتون. وبذلك، تتحول الطاقة الكهرومغناطيسية إلى أشكال أخرى من الطاقة، كالحرارة مثلاً. يُطلق على امتصاص الضوء أثناء انتشار الموجات اسم التوهين . عادةً ، لا يعتمد امتصاص الموجات على شدتها (الامتصاص الخطي)، إلا أنه في ظروف معينة (عادةً في علم البصريات )، يتغير شفافية الوسط تبعاً لشدة الموجات المارة به، فيحدث الامتصاص المشبع (أو الامتصاص غير الخطي).

التحسيس الضوئي هو عملية نقل طاقة الضوء الممتص. بعد الامتصاص، تُنقل الطاقة إلى المواد المتفاعلة (المختارة) . وهذا جزء من عمل الكيمياء الضوئية بشكل عام. ويُستخدم هذا الأسلوب تحديدًا عندما تتطلب التفاعلات مصادر ضوئية بأطوال موجية معينة غير متوفرة بسهولة. ^{[ 14 ]}

على سبيل المثال، يمتص الزئبق الإشعاع عند 1849 و2537 أنغستروم ، وغالبًا ما يكون مصدره مصابيح الزئبق عالية الكثافة . وهو مُحسِّس شائع الاستخدام. عند مزج بخار الزئبق مع الإيثيلين ، وتعريض المركب للإشعاع بواسطة مصباح زئبقي، ينتج عن ذلك التحلل الضوئي للإيثيلين إلى أسيتيلين. يحدث هذا عند امتصاص الضوء، مما يُنتج ذرات زئبق في حالة إثارة، قادرة على نقل هذه الطاقة إلى جزيئات الإيثيلين، والتي بدورها تعود إلى حالتها الأولية من الطاقة. ^{[ 14 ]}

الكادميوم ؛ وبعض الغازات النبيلة ، على سبيل المثال الزينون ؛ والزنك ؛ والبنزوفينون ؛ وعدد كبير من الأصباغ العضوية، تستخدم أيضًا كمحسسات. ^{[ 14 ]}

تُعد المواد الحساسة للضوء مكونًا أساسيًا في العلاج الضوئي الديناميكي المستخدم لعلاج السرطانات.

المُحسِّس في التلألؤ الكيميائي هو مركب كيميائي قادر على إصدار الضوء بعد أن يتلقى طاقة من جزيء أُثير سابقًا في التفاعل الكيميائي. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك ما يلي:

عند خلط محلول قلوي من هيبوكلوريت الصوديوم مع محلول مركز من بيروكسيد الهيدروجين ، يحدث تفاعل:

ClO ⁻ (aq) + H ₂ O ₂ (aq) → O ₂ *(g) + H ⁺ (aq) + Cl ⁻ (aq) + OH ⁻ (aq)

_{الأكسجين (} O₂ ) هو أكسجين مُثار  ، أي أن إلكترونًا واحدًا أو أكثر في جزيء الأكسجين _قد انتقل إلى مدارات جزيئية ذات طاقة أعلى . وبالتالي، فإن الأكسجين الناتج عن هذا التفاعل الكيميائي قد "امتص" الطاقة المنبعثة من التفاعل وأصبح مُثارًا. هذه الحالة الطاقية غير مستقرة، ولذلك سيعود إلى حالته الأرضية عن طريق خفض طاقته. ويمكنه فعل ذلك بأكثر من طريقة.

• ويمكنه أن يتفاعل أكثر، دون أي انبعاث ضوئي.
• يمكنها أن تفقد الطاقة دون انبعاث، على سبيل المثال، عن طريق إطلاق الحرارة إلى المحيط أو نقل الطاقة إلى جزيء آخر
• يمكنه أن يصدر ضوءًا

تعتمد شدة الضوء المنبعث ومدته ولونه على عوامل كمية وحركية . ومع ذلك، غالبًا ما تكون الجزيئات المثارة أقل قدرة على إصدار الضوء من حيث السطوع والمدة مقارنةً بالمواد الحساسة. ويعود ذلك إلى قدرة المواد الحساسة على تخزين الطاقة (أي البقاء في حالة إثارة) لفترات أطول من الجزيئات المثارة الأخرى. تُخزن الطاقة عبر الاهتزاز الكمي ، لذا فإن المواد الحساسة عادةً ما تكون مركبات تحتوي إما على أنظمة من الحلقات العطرية أو العديد من الروابط المزدوجة والثلاثية المترافقة في بنيتها. وبالتالي، إذا نقل جزيء مثار طاقته إلى مادة حساسة، مما يؤدي إلى إثارتها، فغالبًا ما يُلاحظ انبعاث ضوئي أطول وأسهل في القياس.

يعتمد لون (أي طول الموجة ) وسطوع ومدة الانبعاث على المادة المحسسة المستخدمة. عادةً، يمكن استخدام العديد من المواد المحسسة المختلفة لتفاعل كيميائي معين.

مطيافية التألق، والمعروفة أيضًا باسم قياس التألق أو مطيافية التألق، هي نوع من أنواع المطيافية الكهرومغناطيسية التي تحلل التألق المنبعث من عينة. وتعتمد هذه التقنية على استخدام شعاع ضوئي، عادةً ما يكون ضوءًا فوق بنفسجيًا ، لإثارة الإلكترونات في جزيئات مركبات معينة، مما يؤدي إلى انبعاث ضوء ذي طاقة أقل، عادةً، ولكن ليس بالضرورة، ضوء مرئي . وتُعد مطيافية الامتصاص تقنية مكملة لها . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تُسمى الأجهزة التي تقيس الفلورة بمقاييس الفلورة أو أجهزة قياس الفلورة.

يشير مصطلح مطيافية الامتصاص إلى تقنيات التحليل الطيفي التي تقيس امتصاص الإشعاع، كدالة للتردد أو الطول الموجي، نتيجة تفاعله مع عينة. تمتص العينة الطاقة، أي الفوتونات، من المجال المشع. وتتغير شدة الامتصاص بتغير التردد، وهذا التغير هو طيف الامتصاص . تُجرى مطيافية الامتصاص عبر الطيف الكهرومغناطيسي . ^{[ 15 ] [ 16 ]}

• الكيمياء الضوئية الكهربائية
• طاقة التأين
• التماثل
• وضع التأين الضوئي
• التغير اللوني الضوئي
• التأثير الكهروضوئي
• كاشف التأين الضوئي