الفوتون
-------
هو الجسيم الأولي المسؤول عن الظواهر الكهرومغناطيسية والوحدة الأساسية للضوء وجميع أشكال الاشعاع الكهرومغنطيسي الأخرى.
يحمل الفوتون موجات كل أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي كما أنه ناقل القوة للقوة الكهرومغنطيسية.
ويختص بكونه معدوم كتلة السكون، ومعدوم الشحنة الكهربائية، بالإضافة لكونه يتنقل في الفراغ بسرعة الضوء.
إن المفهوم الحديث للفوتون كان قد طور تدريحيا من قبل البرت اينشتين لما لاحظ من التجارب وجود اختلاف عن النموذج الكلاسيكي للموجة كان من أهمها اعتمادية طاقة الضوء على تردد الفوتون، اتزان المادة والاشعاع حراريا وخواص اشعاع الجسم الأسود.
أما في النموذج المعياري الحديث لفيزياء الجسيمات، فإن الفوتونات تمثل نتاجا هاما للقوانين الفيزيائية التي لها تماثل معين في كل نقطة من الزمكان.
لقد قاد مفهوم الفوتون إلى تقدم مفاجئ في الفيزياء النظرية والتجريبية مثل الليزر، نظرية الحقل الكمي، وإحصاء بوز-آينشتين. في الوقت الحاضر هناك دراسات حول الفوتونات كعناصر لحواسيب الكم والتطبيقات المعقدة في الاتصالات الضوئية مثل علم التشفيرالكمي.
كبقية الجسيمات في ميكانيكا الكم، يتصرف الفوتون على أنه موجة أو جسيم (مثنوية موجة-جسيم)، وهو يختزن كمًا محددًا منالطاقة حسب المعادلة:
حيث
E كمية طاقة.
h هو ثابت بلانك.
c سرعة الضوء.
λ طول الموجة.
يتحرك الفوتون في الفراغ بسرعة الضوء 299792458 متر/ثانية وسرعته ثابته لا تتغير إلا إذا دخل وسطا آخر مثل الزجاج.
وبصفته كمية طاقة تعتمد طاقته E على ثابت بلانك h وتعطى بالعلاقة :
حيث:
ν تردد موجة الفوتون
ونعطي هنا مثالا عدديا لفوتون معهود من الفوتونات الضوئية:
حيث:
E طاقة الفوتون بالإلكترون فولت eV
ω التردد الزاوي (1/ثانية).
فإذا كان التردد الزاوي : (في الثانية) ω = 1,520 · 1015
تكون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وهذه طاقة شعاع ضوء في منطقة طيف الأشعة تحت الحمراء.
كما يمكن حساب طاقة الفوتون بمعرفة طول موجته، من المعادلة:
حيث:
λ طول موجة الفوتون بالميكرومتر
فإذا كانت طول موجة الفوتون تساوي= 1,240 ميكرومتر فهي تساوي 1240 نانومتر
وتكون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وللمقارنة فإن شعاع ضوء ذو طول موجة 620 نانومتر يكون لونه برتقالي، وبالتالى تكون طاقته = 2 إلكترون فولت.
والفوتون يتحرك باستمرار بسرعة الضوء ولا يوجد في حالة سكون، لذلك فله كمية حركة p وهي تعطى بالعلاقة التالية الناتجة عن ميكانيكا الكم :
كيف ينشأ الفوتون
------------------
ينشا الفوتون الضوئي في الغلاف الذري الإلكتروني عندما تثار الذرة بفعل الحرارة مثلا ويصبح أحد الإلكترونات في مستوي طاقة للذرة عال، ولا يستطيع الإلكترون البقاء في ذلك المستوي فسرعان ما يقفز إلى مستوي طاقة سفلي ويطلق فارق الطاقة في هيئة فوتون (شعاع ضوء) له تردد محدد أو ذي طول موجة محددة.
فذرة الصوديوم على سبيل المثال تطلق عند الإثارة شعاعي ضوء تبلغ طول موجتهما 589 نانومتر و 590 نانومتر. ويقع هذان الشعاعان في منطقة اللون الأصفر للطيف، هذان الشعاعان هما فوتونان.
وطيف الزئبق يصدر خطين من الفوتونات طول موجتيهما 579 و 577 نانومتر يقعان في منطقة الضوء الأصفر وخط ثالث ذو طول موجة 546 نانومتر وهذا يقع في منطقة الضوء الأخضر.
وكل من هذه الفوتونات ينشأ عندما يقفز أحد الإلكترونات من مستوي للطاقة عال إلى مستوي منخفض. وتصل طاقة هذه الفوتونات بين 5و0 و 6و0 إلكترون فولت (أي أقل من 1 إلكترون فولت).
وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن أشعة كهرطيسية، بعضها يمكن رؤيته وينتمي إلى أشعة الضوء المرئي، والبعض الآخر يمكن أن يظهر في هيئة شعاع من الأشعة السينية ذات الطاقة العالية وبالتالي فلها درجة نفاذ عالية. وتنشأ الأشعة السينية عندما يقفز إلكترونا من مستوي عال في الذرة إلى مكان شاغر في الذرة بالقرب من النواة. فيكون فرق طاقتي المستويين بالغا ويصل إلى عدة مئات إلكترون فولت.
وهناك نوع من الفوتونات ذو طاقة عالية جدا تبلغ عدة ملايين إلكترون فولت مثل اشعة جاما. هذه الفوتونات لا تنشأ في الغلاف الذري للعناصر، وإنما تصدر من نواة الذرة.
التسمية
--------
في عام 1900م كان ماكس بلانك يعمل على مسألة إشعاع الجسم الأسود، وتوصل إلى أن الطاقة في الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن تنتشر إلا على شكل "حزم صغيرة" من الطاقة، أطلق عليها "الكموم" (جمع كم).
لاحقا وفي عام 1905م ذهب ألبرت آينشتاين إلى أبعد من ذلك حين قال أن الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن توجد إلا على شكل حزم طاقة.
وقد أطلق عليها اسماً مشابهاً وهو "كموم الضوء". أما كلمة "فوتون" فقد اشتقت من الكلمة الإغريقية "φως" (فوس) والتي تعني "ضوء". وقد كان من ابتكر الكلمة هو الفيزيائي غلبرت لويس في عام 1926، والذي نشر نظرية تخمينية – غير تجريبية – حول أن "الفوتونات لا تستحدث ولا تفنى".
وبالرغم من أن نظرية لويس لم تلاقي قبولاً لتعارضها مع العديد من التجارب العلمية، إلى أن معظم الفيزيائيين استخدموا "فوتونه" الجديد مباشرة بعد طرح النظرية. وفي عام 1927 عرّفإسحاق عظيموف "كموم الطاقة" بأنها "فوتونات".
وعادة ما يُشار في الفيزياء إلى الفوتون برمز "γ" (الحرف الإغريقي "غاما"). وربما استخدم هذا الرمز تيمّناً بأشعة غاما (والتي اكتشفها وأسماها الفيزيائي "باول فيلارد" في عام 1990) لأنه تبيّن أنها من الأمواج الكهرومغناطيسية في عام 1914.
في الكيمياء والهندسة البصرية يُرمز للفوتونات عادة بالرمز "hν"، حيث أن "h" هو ثابت بلانك و"ν" هو حرف إغريقي. ويوجد رمز أقل شيوعاً هو "hf".
الخصائص الفيزيائية
-------------------
الفوتون عديم الكتلة (انظر أدناه) والشحنة الكهربائية ولا يضمحل في الفضاء الخالي. الفوتون هو البوزون الحامل للقوة الكهرومغناطيسية، ونظريا كل الأعداد الكمية الأخرى للفوتون (مثل عدد الباريون والأعداد الكمية للنكهة) هي صفر.
العلاقة بين طاقة وزخم حركة الفوتون هي
E = Pc
حيث أن
E هي الطاقة.
p هي مقدار متجه زخم الحركة.
c هي سرعة الضوء.
طاقة وزخم حركة الفوتون يعتمدان فقط إما على تردده (ν) أو بشكل مساوى على طوله الموجي (λ):
حيث أن
K هو "متجه الموجة"
ω هو التردد الزاوي
ħ هو ثابت بلانك
وأيضا يملك الفوتون دورانا مغزليا لا يعتمد على تردده.
ومقدار دورانه هو
الكتلة
-----
يُعتقد حالياً أن الفوتون عديم الكتلة السكونية تماما (كتلته السكونية ليست قليلة جدا بل هي لا شيء).
لكن المشكلة هي أنه إذا كان الفوتون عديم الكتلة فلا يُمكن أن يتحرك بسرعة " c " في الفراغ، بل يجب أن تكون سرعته أقل وأن تعتمد على تردده.
لكن في الواقع التعبير الشائع عن "c" بأنها سرعة تحرك الضوء هو خطأ، بل هي ثابت طبيعي يُمثل الحد الأقصى للسرعة التي يُمكن لأي جسم التحرك بها نظريا فيالزمكان.
وهكذا فهي ما زالت سرعة الأمواج في الزمكان (أمواج الجاذبية والجاذبية)، لكنها ليست سرعة الفوتونات.
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق
ملحوظة: يمكن لأعضاء المدونة فقط إرسال تعليق.