🔬 المعالجة الآلية للبيانات البصرية (UV-Vis)
أداة تفاعلية متقدمة لتحليل طاقة الفجوة والثوابت البصرية باستخدام Python
⚙️ أولاً: دليل التشغيل (Operation Guide)
- تجهيز البيانات: قم بتجهيز ملف واحد بصيغة
.csvأو.txtيحتوي على ثلاثة أعمدة رئيسية: الطول الموجي (Wavelength)، الانعكاسية (R)، والنفاذية (T). - تشغيل البيئة: افتح رابط Colab أعلاه واضغط على زر التشغيل (Play) بجانب خلية الكود، أو اضغط
Shift + Enter. - رفع الملف: سيطلب منك البرنامج رفع ملف العينة. سيقوم الكود برمجياً بتحويل النفاذية إلى امتصاصية (Absorbance) وحساب كافة المعاملات الفيزيائية تلقائياً.
- التحديد التفاعلي (ROI): سيظهر لك شريطان تمرير (Sliders):
- الشريط الأول (Tauc ROI): حركه لتظليل منطقة الانحدار الشديد لحساب طاقة الفجوة بدقة.
- الشريط الثاني (Urbach ROI): حركه لتظليل منطقة ذيل الامتصاص لحساب طاقة أورباخ.
- استخراج التقارير: بعد ضبط المؤشرات بدقة، استخدم أزرار التحميل لاستخراج تقرير PDF احترافي للرسوم البيانية، أو ملف Excel يحتوي على جميع البيانات الرقمية المحسوبة.
📐 ثانياً: القوانين الفيزيائية المستخدمة (Physical Equations)
α = (2.303 × A) / t
X = (1 + R) / (1 – R)
n = X + √(X2 – k2 – 1)
ε2 = 2nk
📊 ثالثاً: النتائج المستخرجة (Expected Results)
بمجرد معالجة البيانات، سيقوم البرنامج بتوليد الرسوم البيانية والنتائج التالية:
طاقة الفجوة (Band Gap)
قيمة Eg بـ (eV) مع رسم Tauc Plot والملاءمة الخطية لتحديد نوع الانتقال الإلكتروني.
طاقة أورباخ (Urbach Tail)
قيمة Eu بـ (meV) لتقييم مدى العيوب والاضطراب (Disorder) في التركيب البلوري.
المعاملات البصرية
رسم بياني يوضح تغير معامل الانكسار (n) ومعامل الخمود (k) مع تغير الطول الموجي.
دالة العزل والتوصيلية
استجابة المادة للمجال الكهرومغناطيسي (الجزء الحقيقي والتخيلي للعزل والتوصيلية البصرية).
تصدير متقدم (PDF & Excel)
إمكانية دمج كافة الرسوم البيانية وجدول النتائج في وثيقة PDF علمية، بالإضافة إلى تصدير كافة الحسابات الرقمية الخام إلى ملف Excel للتحليل المتقدم.
دراسة مقارنة : تحليل الخصائص البصرية والكهروضوئية (Python مقابل Origin)
1. جدول مقارنة الخصائص المستخرجة:
يلخص الجدول التالي القيم الفيزيائية المحسوبة باستخدام الأداة البرمجية المطورة (بايثون) مقارنةً بالنتائج المرجعية المستخرجة من برنامج Origin للعينتين (0) و(15):
| الخاصية الفيزيائية المحسوبة | العينة 0 (الأداة البرمجية) | العينة 0 (برنامج Origin) | العينة 15 (الأداة البرمجية) | العينة 15 (برنامج Origin) |
|---|---|---|---|---|
| فجوة الطاقة المباشرة (Eg) | 4.39 eV | 4.26 eV | 4.40 eV | 4.26 eV |
| معامل الانكسار (n) | 1.67 (كمتوسط طيفي) | 1.91 (كقيمة عظمى) | 1.89 (كمتوسط طيفي) | 2.20 (كقيمة عظمى) |
| متوسط الموصلية البصرية (σopt) | 1.038 × 1011 S/cm | تتبع نفس السلوك التصاعدي | 1.155 × 1011 S/cm | تتبع نفس السلوك التصاعدي |
| طاقة أورباخ (Eu) | 4364.7 meV | غير محسوبة كمياً | 3126.9 meV | غير محسوبة كمياً |
| السلوك الفيزيائي للتعديل | المادة المرجعية | – | زيادة في الانكسار والموصلية مع نقصان طاقة أورباخ | زيادة في الانكسار والموصلية البصرية |
2. تحليل وتفسير الفروقات الفيزيائية:
- فجوة الطاقة البصرية (Band Gap):تتقارب النتائج بين كلا البرنامجين (ضمن نطاق 4.2 إلى 4.4 إلكترون فولت)، مما يؤكد أن المادة تمتلك فجوة طاقة واسعة وتصنف ضمن المواد العازلة والشفافة بصرياً. يُعزى الفارق البسيط (حوالي 0.13 eV) إلى اختلاف آلية التجهيز الخطي (Linear Fit Region) عند رسم مماس حافة الامتصاص. تتيح الأداة البرمجية تعديل هذا النطاق يدوياً عبر المؤشرات التفاعلية للوصول إلى تطابق أعلى مع الحسابات المرجعية.
- معامل الانكسار (Refractive Index):تتوافق النتائج في رصد السلوك الفيزيائي للمادة، حيث أظهر كلا البرنامجين أن التعديل على العينة (15) أدى إلى زيادة قيمة معامل الانكسار مقارنة بالعينة المرجعية (0). ينتج الاختلاف في القيم الرقمية عن آلية الحساب؛ حيث يستخرج البرنامج المطور “متوسط” معامل الانكسار عبر النطاق الطيفي الكامل، بينما ركزت الحسابات المستخرجة من Origin على تسجيل “القيمة العظمى” (Peak Value).
- الموصلية البصرية ($\sigma_{opt}$) ومعامل الخمود ($k$):أظهرت الحسابات في كلا البرنامجين زيادة في الموصلية البصرية للعينة (15) مقارنة بالعينة (0)، حيث سجل البرنامج المطور ارتفاعاً من $1.038 \times 10^{11} \text{ S/cm}$ إلى $1.155 \times 10^{11} \text{ S/cm}$. يشير هذا السلوك فيزيائياً إلى تعزيز استجابة إلكترونات المادة للمجال الكهرومغناطيسي للضوء الساقط بعد التعديل. يترافق هذا الارتفاع طردياً مع التغيرات في معامل الانكسار ومعامل الخمود ($k$) المستخرج من بيانات Origin، مما يعكس زيادة كفاءة التفاعل بين الفوتونات والبنية الداخلية للمادة.
- طاقة أورباخ (Urbach Energy):وفرت الأداة البرمجية ميزة إضافية بحساب طاقة أورباخ ($E_u$)، والتي تقيس مدى التشوهات والاضطراب في الشبكة البلورية. أظهرت النتائج انخفاضاً واضحاً من 4364.7 meV (للعينة 0) إلى 3126.9 meV (للعينة 15). يفسر هذا الانخفاض فيزيائياً بأن التعديل المُجرى أسهم في تقليل المستويات الموضعية (Defect States) وزيادة الانتظام الهيكلي للمادة.
3. الخلاصة:
تُثبت الدراسة المقارنة أن الأداة البرمجية المطورة تعطي نتائج متوافقة تتبع نفس المنحنى الفيزيائي لبرنامج Origin، مما يمنحها الاعتمادية الكافية لتعويض البرمجيات التجارية التقليدية في أتمتة حسابات القياسات الطيفية واستخراج تقارير التحليل العلمي.
4. معاينة ملفات النتائج والبيانات الخام: يمكن الاطلاع على ملفات الحسابات الأصلية والتقارير التحليلية عبر الروابط التالية:
