الفوتونات

[محسن عبده]

الفوتون (بالإنجليزية: Photon‏) هو الجسيم الأولي المسؤول عن الظواهر الكهرطيسية والوحدة الأساسية للضوء وجميع أشكال الاشعاع الكهرومغنطيسي الأخرى. يحمل الفوتون موجات كل أشكال الإشعاع الكهرطيسي 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 تردد الفوتون على طاقة الضوء، 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، واعتبار بوز-آينشتين. في الوقت الحاضر هناك دراسات حول الفوتونات كعناصر لحواسيب الكم والتطبيقات المعقدة في الاتصالات الضوئية مثل علم التشفير الكمي.

كبقية الجسيمات في ميكانيكا الكم، يتصرف الفوتون على أنه موجة أو جسيم (مثنوية موجة-جسيم)، وهو يختزن كمًا محددًا من الطاقة حسب المعادلة:

،
حيث h هو ثابت بلانك، وc سرعة الضوء، وλ طول الموجة.

تطور تاريخي ****
كانت أغلب النظريات حتى القرن الثامن عشرتصف الضوء على أنه ناشئ عن جسيمات. أحد هذه النظريات المبكرة كانت قد وصفت في كتاب البصريات (1021) لابن الهيثم, الذي اعتبر أن أشعة الضوء عبارة عن تيارات من جسيمات صغيرة جداً والتي تفتقر لكل المؤهلات الحسية عدا الطاقة.[2] كان هذا رأي اسحق نيوتن أيضا في طبيعة الضوء. لما كانت نماذج الجسيم غير قادرة على تفسير الانكسار, الحيود والانكسار المزدوج للضوء, فقد تم اقتراح نظريات الموجة للضوء من قبل رينيه ديكارت (1637),[3] روبرت هوك (1665),[4] وكريستيان هايغنز (1678);[5] ,بالرغم من ذلك, ظلت نماذج الجسيم هي الغالبة, بشكل رئيسي لتأثير إسحق نيوتن.[6] في أوائل القرن التاسع عشر, شرح كل من توماس ينغ وفرسنل أوغست بوضوح عملية تداخل وانكسار الضوء ومع العام 1850 تم قبول نماذج الموجة عموما.[7] في 1865, تنبؤات جيمس كلرك ماكسويل[8] بأن الضوء عبارة عن موجة كهرطيسية والذي تأكد تقريبا في 1888 بواسطة تحسس موجات الراديو من قبل هنريك هيرتز'[9]—بدا أنها آخر صيحة لنماذج الضوء الجسيمية

إن نظرية الموجة لماكسويل, مع ذلك, لا تحسب حسابا لجميع خصائص الضوء. تتنبأ نظرية ماكسويل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على شدتها، ليس على ترددها، على الرغم من أن أنواع عديدة من التجارب المستقلة تظهر أن الطاقة الممنوحة بالضوء للذرات تعتمد على تردد الضوء فقط وليس شدته. على سبيل المثال, بعض التفاعلات الكيميائية يتم إثارتها فقط عن طريق ضوء بتردد أعلى من حد معين. إذا كان هذا الضوء ذا تردد أقل فمهما بلغت شدته لا يحفز التفاعل. بالمثل, بالإمكان نزع الكترونات من صفيحة معدنية بتسليط ضوء ذي تردد عالي بقدر كاف عليها (تأثير كهروضوئي); تتعلق طاقة الالكترونات المنتزعة بتردد الضوء فقط، وليس الشدة
اكتشاف الفوتون
يمكن تلخيص أبرز الاحداث التاريخية في اكتشاف الفوتون كما يلي:

1900 : وصف الفيزيائي ماكس بلانك الضوء وكل أشكال الطاقة الاشعاعية بانها تيارات من جسيمات تسمى كمات وكل كم من الطاقة حزمة ولا يمكن تقسيمها ،والفوتون كم من الطاقة الكهرومغنطيسية
1902 : العالم الفيزيائي فيليب أنتون لينارد يلاحظ ان كمية الطاقة المعطاة لإلكترون اعتمدت فقط على لون الضوء الذي سطع على القطب الكهربائي
1905 :العالم الفيزيائي البرت اينشتاين يتوصل إلى ان طاقة الفوتون تعتمد على طولها الموجي أو ترددها ؛فمثلا فوتون الضوء بنفسجي (لون) له طاقة أعلى من فوتون الضوء الأحمر لأن ضوء بنفسجي (لون) له تردد أعلى مما للضوء الأحمر
1922 : العالم الفيزيائي أرثر كمبتون وحسب اكتشاقه المعروف بتأثير كمبتون هو دليل قوي على أن الفوتونات هي في الواقع جسيمات فعندما تصطدم فوتونات الأشعة السينية مع الالكترونات ينحرف كلا الجسيمين من ممرهما المبدئي ويعطي فوتون الأشعة سينية بعض طاقته للإلكترون ؛ ونتيجة لذلك يسقط فوتون الأشعة السينية على تردد أقل.
الفوتون في الفراغ****
يتحرك الفوتون في الفراغ بسرعة الضوء 299792458 متر/ثانية وسرعته ثابته لا تتغير إلا إذا دخل وسطا آخر مثل الزجاج.

وبصفته كمة 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.