تعريف الفوتون في الفيزياء

تعريف الفوتون في الفيزياء نتحدث عنه من خلال مقالنا هذا كما نذكر لكم مجموعة متنوعة أخرى من الفقرات المميزة مثل أهم مميزات الفوتونات و أهم مميزات الفوتونات و الختام الفوتون مقابل الفونون تابعوا السطور القادمة.

تعريف الفوتون في الفيزياء

يُعرف الفوتون في الفيزياء بأنه جزء صغير من الطاقة يتحرّك بسرعة الضوء، وله طول موجي وتردد معين، ويعرف الفوتون أيضًا بالكمّ الضوئي، وقد عرّفه ألبرت آينشتاين عام 1905م عند تفسيره للتأثير الكهروضوئي وملاحظته لوجود حزم من الطاقة المنفصلة أثناء انتقال الضوء، وقد مهّد لهذا المفهوم الألماني ماكس بلانك عام 1900م عند ملاحظته لانبعاث الإشعاع الحراري وامتصاصه في وحدات منفصلة، ويُشار إلى أنّ مصطلح الفوتون استُخدم في عام 1926م، إذ تبيّن أنّ الفوتون يتحرك بسرعة الضوء وتعتمد طاقته على تردد الإشعاع، كما تنبعث الفوتونات من جميع أنواع الطاقات مثل؛ أشعة جاما، والأشعة السينية، والأشعة تحت الحمراء وغيرها، وتُعدّ الفوتونات أيضاً جسيمات لا تمتلك شحنةً كهربائيةً ولا كتلةً سكونيةً، حيث يُعتقد بأنّها جُسيمات حاملة للمجال الكهرومغناطيسي.

كيف ينشأ الفوتون

-ينشأ الفوتون الضوئي في الغلاف الذري الإلكتروني عندما تتأثر الذرة بفعل الحرارة مثلًا ويصبح أحد الإلكترونات في مستوى طاقة للذرة عال، ولا يستطيع الإلكترون البقاء في ذلك المستوى فسرعان ما يقفز إلى مستوى 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 مستوى للطاقة عال إلى مستوى منخفض. وتصل طاقة هذه الفوتونات بين 0.5 و 0.6 إلكترون فولت (أي أقل من 1 إلكترون فولت).
-وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية، 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 إلكترون من مستوى عال في الذرة إلى مكان شاغر في الذرة بالقرب من النواة. فيكون فرق طاقتي المستويين بالغًا ويصل إلى عدة مئات إلكترون فولت.
-وهناك نوع من الفوتونات ذو طاقة عالية جدًا تبلغ عدة ملايين إلكترون فولت مثل أشعة غاما. هذه الفوتونات لا تنشأ في الغلاف الذري للعناصر، وإنما تصدر من نواة الذرة.

أهم مميزات الفوتونات

-من أهم مميزات تلك الفوتونات أنها موجودة في الكثر من الأماكن حولنا في كافة أنحاء العالم.
ولا يمكن أن تصطدم مع بعضها البعض، حيث إنها لو كانت تصطدم لما تمكنا من رؤية الأضواء ولا تمكننا من إنشاء محطات فضائية. العلاقة بين طاقة وزخم حركة الفوتون هي “E = pc”، حيث أن “E” هي الطاقة و”p” هي مقدار متجه زخم الحركة و”c” هي سرعة الضوء.
-كما يملك الفوتون دوران مغزلي لا يعتمد على تردده. من المعترف به في الوقت الحالي أن الفوتون عديم الكتلة السكونية، ولكن إذا كان الفوتون عديم الكتلة فلا يُمكن أن يتحرك بسرعة “c” في الفراغ. بل يجب أن تكون سرعته أقل وأن تعتمد على تردده.
-ولكن من الواضح والمعروف عن “c” بأنها سرعة تحرك الضوء هو خطأ، بل هي ثابت طبيعي، يُمثل الحد الأقصى للسرعة التي يُمكن لأي جسم التحرك بها نظريًا. وهكذا فهي مازالت سرعة الأمواج في أمواج الجاذبية والجاذبية، لكنها ليست سرعة الفوتونات.
-وأوضحت التجارب التي قام بها كومبتون بأن حفظ الطاقة وزخم الحركة يتم بشكل جيد جداً في العمليات الابتدائية. وأن اهتزاز الإلكترون وتوليد فوتون جديد يخضع للسبيبة خلال 10 بيكو ثانية، وذلك عندما قام بور وزملاؤه بوضع نهاية مشرفة للنموذج الخاص بهم.
ومع ذلك ألهم فشل نموذج نظرية بوهر-كرامرز-سلاتر الفيزيائي فيرنر هايزنبيرغ، في تطويره لميكانيكا المصفوفات. كما حاول العديد من الفيزيائيين في تطوير النماذج النصف تقليدية، والتي تصف الإشعاع الكهرومغناطيسي بأنه غير مكمم.
-كذلك تخضع فيها المادة لقوانين ميكانيكا الكم.
-وبالرغم من أن الأدلة على وجود الفوتونات من التجارب الفيزيائية والكيميائية كانت ساحقة، فإنها لن تؤخذ نتيجة مطلقة.
– ونظراً لاعتمادها على التفاعل بين الضوء والمادة، ومع ذلك دحضت تمامًا كل النظريات النصف تقليدية المعقدة للمادة في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين. بالتجارب المرتبطة بالفوتون، ومنذ ذلك الوقت تم نشر نظرية أينشتاين بأن التكميم خاصية للضوء نفسه ليتم إثباتها.

الفوتون مقابل الفونون

الفونون و الفوتون هما كلمتان قريبتان للغاية ، يمكن أن يخطئا في نفس الشيء ، الفوتون هو حزمة من الطاقة ، والتي هي أساس ميكانيكا الكم ، و الصوت هو التذبذب الجماعي للعديد من الذرات ، كل من هذه المفاهيم مهمة جدا في الفيزياء ، نظرية الفوتون هي النظرية الأساسية التي تعتمد عليها معظم الفيزياء الحديثة ، و الفونون هو أيضا مفهوم مهم في دراسة المواد وتذبذباتها الداخلية ، في هذه المقالة ، سنناقش ماهية الفونون و الفوتون ، و أوجه التشابه بينهما ، و تعريفاتهم ، و تطبيقات الفونون و الفوتون وأخيراً الفرق بين الفوتون و الفونون.