تعريف الفوتون نتحدث عنه من خلال مقالنا هذا كما نذكر لكم مجموعة متنوعة أخرى من الفقرات المميزة مثل طاقة الفوتون وخصائص الفوتونات و الختام تاريخ اكتشاف الفوتون تابعوا السطور القادمة.
محتويات المقال
تعريف الفوتون
-الفوتون أو ضويء في الفيزياء هو جسيم أولي، والكم للضوء وجميع الأشكال الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي، والحامل للقوة الكهرومغناطيسية. تسهل ملاحظة تأثيرات هذه القوة في كلا المستويين الميكروسكوبي والماكروسكوبي، بسبب انعدام الكتلة الساكنة للفوتون الذي يسمح بالتآثر والتفاعل في المسافات الطويلة. كما هو حال كل الجسيمات الأولية، تقدم ميكانيكا الكم حالياً أفضل تفسير للفوتونات، وللفوتونات خاصية ازدواجية الموجة والجسيم، مظهرة خصائص كلًا من الموجات والجسيمات حيث يمكن للفوتون الواحد الانكسار بواسطة العدسات والتداخل، ومن الممكن تصرفه كجسيم معطياً نتيجة محددة عند قياس وتحديد موضعه، ويختص بكونه معدوم كتلة السكون، ومعدوم الشحنة الكهربائية، بالإضافة لكونه يتنقل في الفراغ بسرعة الضوء.
-طور ألبرت أينشتاين تدريجياً المفهوم الحديث للفوتون لتفسير الملاحظات التجريبية غير المطابقة لنموذج موجة الضوء التقليدي، حيث علل نموذج الفوتون على وجه الخصوص اعتماد طاقة الضوء على تردده، وفسر قابلية المادة والإشعاع ليكونا في حالة توازن حراري. كما علل النموذج الحديث للفوتون الملاحظات الشاذة لخصائص إشعاع الجسم الأسود، التي سعى العديد من الفيزيائيين وعلى الأخص ماكس بلانك إلى تفسيرها باستخدام نماذج شبه تقليدية تصف الضوء بمعادلات ماكسويل وتكمم الأجسام المادية المشعة والماصة للضوء. بالرغم من مساهمة هذه النماذج الشبه تقليدية في تطوير ميكانيكا الكم، فإن التجارب اللاحقة تحققت من صحة فرضية أينشتاين بأن الضوء هو نفسه مكمم وأن الفوتونات هي كم الضوء.
خصائص الفوتونات
-ليس للفوتون لون؛ فهو شفاف ولا يُمكن اكتشافه بالعين البشريّة على عكس موجات الكهرومغناطيسية، لكن يُمكن إدراكه في حالة واحدة وهي عندما تنسجم مجموعة كبيرة من الفوتونات على شبكة العين.
-يمتلك الفوتون طاقة لا يمكن تقسيمها، وتُخزّن كمجال كهربائي متذبذب.
-يستطيع التفاعل مع الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات.
-يمتلك الفوتون طول موجي وتردد خاص به كالموجات الكهرومغناطيسية.
-ليس للفوتون لون؛ فهو شفاف.
– يُعدّ الفوتون جسيم وموجة في آن واحد.
-يتحرّك الفوتون بسرعة الضوء ومقدارها (2.9979 × 108) م/ث في الفراغ.
-ليس للفوتون كتلة، لكن لها طاقة وزخم حركي مُرتبط بالتردد وطول الموجة.
-يتكوّن أو يتلاشى الفوتون عند امتصاص أو انبعاث الإشعاع.
طاقة الفوتون
-في عام 1922، عالج الأمريكي آرثر كومبتون الحائز على جائزة نوبل تشتت الأشعة السينية من الإلكترونات كمجموعة من الاصطدامات بين الفوتونات والإلكترونات، إذ أن تكييف العلاقة بين الزخم والطاقة لموجة كهرومغناطيسية كلاسيكية إلى فوتون فردي P=E/c=hf/c =h/λ، كما استخدم كومبتون قوانين حفظ الزخم والطاقة لاشتقاق تعبير عن انزياح الطول الموجي للفوتون المبعثر من الأشعة السينية كدالة لزاوية التشتت. تطابقت صيغته مع نتائجه التجريبية واعتُبر تأثير كومبتون بحيث أصبح دليلًا مقنعًا إضافيًا لوجود جسيمات الإشعاع الكهرومغناطيسي.
– كما أن طاقة الفوتون من الضوء المرئي صغيرة جدًا، في حدود 4 × 10−19 جول، ووحدة الطاقة الأكثر ملاءمة في هذا النظام هي الإلكترون فولت (eV). يساوي إلكترون واحد الطاقة التي يكتسبها إلكترون عندما يتغير جهده الكهربائي بمقدار فولت واحد: 1 فولت = 1.6 × 10−19 جول، كما يشمل طيف الضوء المرئي فوتونات ذات طاقات تتراوح من حوالي 1.8 فولت (ضوء أحمر) إلى حوالي 3.1 فولت (ضوء بنفسجي).
-لا تستطيع الرؤية البشرية اكتشاف الفوتونات الفردية، على الرغم من أنه في ذروة استجابتها الطيفية (حوالي 510 نانومتر، باللون الأخضر)، إذ تقترب العين المتكيفة مع الظلام، وفي ظل ظروف النهار العادية، فإن الطبيعة المنفصلة للضوء الذي يدخل العين البشرية محجوبة تمامًا بسبب العدد الكبير جدًا من الفوتونات المعنية. على سبيل المثال، ينبعث مصباح قياسي بقدرة 100 وات بترتيب 1020 فوتونًا في الثانية على مسافة 10 أمتار من المصباح، وربما يدخل 1011 فوتونًا في الثانية تلميذًا مضبوطًا بشكل طبيعي يبلغ قطره 2 مم.
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.
تاريخ اكتشاف الفوتون
بدأت سلسة اكتشاف الفوتون في مطلع القرن العشرين في عام 1901 م من خلال اكتشاف نظرية بلانك للجسم الأسود، يليها في عام 1902 م اكتشف العالم لينارد أنّ طاقة الإلكترونات لا تعتمد على شدّة الضوء، إنّما على الطول الموجي، وفي عام 1905م أثنى العالم آينشتاين على اكتشاف لينارد بأنّ الطاقة موزّعة في الفضاء بشكل غير منظم؛ إذ دمج نظرية بلانك مع الميكانيكا الإحصائيّة، وتوصّل إلى أنّ الضوء عبارة عن الكم، وفي عام 1923 م قدّم اينشتاين دليل واضح عن سلوك الجسيمات، وتوضيح بأنّها لا تحمل هذه الجسميات الطاقة فقط، بل الزخم أيضًا، بعد قيامه تجارب كومبتون على تشتت الأشعة السينية على للإلكترونيات. وأُطلق مصطلح الفوتونات من قبل العالم لويس في مقالته تحت عنوان حفظ الفوتونات في عام 1926 م، حيث توصّل إلى أنّ الفوتونات هي ذرات من الضوء تُحفظ بصورة مشابهة للذرة الطبيعية، وفي عام 1977م انتهى من إثبات مفهوم الفوتون كأول ظاهرة بصريّة كموميّة أساسية التي فُحصت بدقة في عالم الفيزياء.
