فوتون Photon

الفوتونات تنبعث في شعاع coherent من ليزر
هجريب	جسيم أولي
الأسرة	بوزون
المجموعة	Gauge boson
التفاعل	كهرومغناطيسي
التنظير	ألبرت أينشتاين (1905–1917)
الرمز	${\displaystyle \gamma$ or ${\displaystyle h\nu$
الكتلة	0
متوسط العمر	مستقر
الكتلة الكهربائية	0
سپين	1

الفوتون (Photon) هوجسيم أولي متناهي الصغر (بالتحديد بوزون)، وهوالمسئول عن الظاهرة الكهرومغناطيسية. وهوحامل الاشعاع الكهرومغناطيسي لكل أطوال الموجات، بما فيها آشعة گاما، الآشعة السينية، الضوء فوق البنفسجي، والضوء المنظور، الضوء تحت الأحمر، ميكرويف وموجات الراديو. ويختلف الفوتون عن الكثير من الجسيمات الأولية الأخرى، مثل الإلكترون والكوارك، في حتى كتلة استقراره معدومة؛ ولذلك, فإنه يتحرك (في الفراغ) بسرعة الضوء, c. ومثل جميع quanta, الفوتون له في آن واحد جميع من خواص موجية وخواص جسيمية (“ازدواجية الموجة–الجسيم”). والفوتونات يـُظهروا ظواهر شبيهة بالموجات, مثل الإنكسار خلال العدسات والتداخل (التشويش) المدمر عندما تلغي الموجات المنعكسة بعضها البعض; إلا أنه كجسيم, بإمكانه فقط حتى يتفاعل مع المادة عبر نقل كم من الطاقة.

${\displaystyle E={\frac {hc {\lambda ,$

حيث ${\displaystyle h}$${\displaystyle c}$${\displaystyle \mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}$

وهوأصغر قَدْر من الطاقة يمكن تبادله بين موجة كهرمغنطيسية وبين المادة. فالطاقة المتبادلة W في تجربة ما بين موجة كهرمغنطيسسية والمادة تساوي دوماً عدداً سليماً من الفوتونات. تعتمد طاقة جميع منها على تواتر الموجة الكهرمغنطيسية ν وتتناسب معها طرداً. إذا ثابت التناسب هوثابت بلانك Planck، ورمزه h، وقيمته العددية هي h=6.6×10-34 J.s. وعليهقد يكون: W = hν. ويعطي الجدول (1) طاقات الفوتونات مقدرة بالإلكترون فولط eV من أمواج كهرمغنطيسية متنوعة.

كما يظهر في الشكل (1) طيف الأمواج الكهرمغنطيسية الكامل وأين نجدها بشكل رمزي.

الطاقة

W = hv

طول الموجة

l = c/v

التواتر

v

نوع الموجة

n4x10-7 eV

n3m

n108 Hzn

موجة إذاعية

n4x10-5 eV

n3cm

n1010 Hzn

موجة رادار

n0.4 eV

n3 mn

n1014 Hz

أشعة تحت حمراء

n2 eV

n6.6m

n5x1014 Hz

ضوء مرئي

n4 eV

n3000 A°

n1015 Hz

أشعة فوق بنفسجية

n4000 eV

n3 A°

n1018 Hz

أشعة سينية

n4x106 eV

n0.003 A°

n1021 Hz

أشعة غاما

يمكن كذلك النظر إلى الفوتونات على أنها جسيمات حقيقية «أي حبيبات ضوئية» تمتلك طاقة hν واندفاعاً واندفاعاً زاوياً. وفي الحقيقة فإن النظريات التقليدية تعزوإلى قطار أمـواج يحمل طاقـة W اندفاعاً p يعطي بالعلاقـة: p = W/c. وإذا كـانت الموجـة مستقطبة استقطاباً دائرياً فإنه يُعزى لها عندئذ عزم اندفاع زاوي σ = W/ω (حيث ترمز c إلى سرعة الضوء في الخلاء، وω = 2 πν إلى السرعة الزاوية للحقل الدوّار أونبضه الزاوي). وإذا استخدمت هذه العلاقة مع علاقة الطاقة W = hνقد يكون الاندفاع مساوياً:

ويكون الاندفاع الزاوي للفوتون

الخواص الطبيعية

في الفضاء الفارغ, يتحرك الفوتون بسرعة ${\displaystyle c}$${\displaystyle E}$p تربطهم المعادلة ${\displaystyle E=cp}$${\displaystyle m}$

كل من طاقة وزخم فوتون يعتكدان فقط على تردده ${\displaystyle \mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}$${\displaystyle \lambda$

${\displaystyle E=\hbar \omega =h\nu ={\frac {hc {\lambda$

${\displaystyle \mathbf {p =\hbar \mathbf {k$

and consequently the magnitude of the momentum is

${\displaystyle p=\hbar k={\frac {h {\lambda ={\frac {h\nu {c$

حيث ${\displaystyle \mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}=h/2\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}}$k هومتجه موجي (with the wave number ${\displaystyle k=2\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}/\mathrm{\lambda <!--\; \lambda \; -->}}$k points in the direction of the photon's propagation. The photon also carries spin angular momentum that does not depend on its frequency. The magnitude of its spin is ${\displaystyle \sqrt{2}\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}}$${\displaystyle \pm <!--\; \pm \; -->\mathrm{\hslash <!--\; \hslash \; -->}}$

التطور التاريخي

نشأت الفكرة القائلة بأن الضوء والطاقة بأنواعها المتنوعة الأخرى يأتيان على شكل جسيمات، عام 1900م. ففي ذلك العام وصف الفيزيائي الألماني ماكس بلانك الضوء وغيره من أشكال الطاقة الإشعاعية بأنها تيارات من جسيمات تسمى كمات. وكل كم من الطاقة "حزمة" لايمكن تقسيمها، حيث لاتستطيع حتى تحصل على نصف كم من الطاقة. لكن كمية الطاقة في كم يمكن حتى تختلف، والفوتون كم من الطاقة الكهرومغنطيسية. وفي التأثير الكهروضوئي، ترتفع الطاقة التي يعطيها الفوتون إلى الإلكترون عندما يقذفه خارج الذرة، حدثا ارتفعت طاقة الفوتون.

وفي عام 1902م لاحظ الفيزيائي الألماني فيليب فون لينارد حتى كمية الطاقة المعطاة لإلكترون اعتمدت فقط على لون الضوء الذي سطع على القطب الكهربائي. وفي عام 1905م، استنبط العالم الألماني المولد، ألبرت أينشتاين حتى طاقة الفوتون تعتمد على طولها الموجي أوترددها. ففوتون الضوء البنفسجي له طاقة أعلى من فوتون الضوء الأحمر لأن الضوء البنفسجي له تردد أعلى (أوطول موجي أقصر) مما للضوء الأحمر.

وتأثير كمبتون الذي اكتشفه الفيزيائي الأمريكي أَرثر كمبتون عام 1922م أفضل مرشد على حتى الفوتونات هي في الواقع جسيمات. فعندما تصطدم فوتونات الأشعة السينية مع الإلكترونات، ينحرف كلا الجسيمين من ممرهما المبدئي. ويعطي فوتون الأشعة السينية بعض طاقته للإلكترون. ونتيجة لذلك يسقط فوتون الأشعة السينية إلى تردد أقل (أولطول موجي أطول).

يعود الفضل إلى العالم الفرنسي لوي دوبروي Louis de Brolie في طرح القانون الأول الخاص بالاندفاع الذي شكَّل أساس الميكانيك الموجي mécanique ondulatoire، أما القانون الثاني والخاص بالاندفاع الزاوي فيحدِّد الواحدة الأساسية الطبيعية للاندفاع الزاوي في ميكانيك الكم.

لقد نشأت الحاجة إلى مفهوم الفوتون تاريخياً من دراسة الإشعاع الحراري لجسم يتم تسخينه حتى درجة الاحمرار. فمن الملاحظ حتى لون سلك يمرر فيه تيار كهربائي يتغير من اللون الأحمر القاتم إلى البني فالبرتنطقي.. ثم يغدوبلون أبيض بارتفاع درجة حرارة السلك، ويستفاد من خاصة تغير لون السلك هذه بتغير درجة الحرارة لقياس درجات حرارة الأفران الصناعية.

إن دارسة هذا الأمر دراسة مستفيضة قادت إلى التمييز بين تواترات الأمواج ν التي يتشكل منها الإشعاع الصادر عن المنبع الحار. ولما فُصِلت الأمواج باستخدام مرشِّحات مناسبة أوباستخدام مطياف، وقيست استطاعة الإشعاعات الصادرة (P) عن المنبع الحار بين (ν) و(ν+Δν) عثر حتى هذه الاستطاعة متناسبة مع (Δν) أي أن:

Pν. Δν @ بين ν وP= (ν +Δν)

تسمى Pν الاستطاعة التفاضلية أوالاستطاعة الطيفية. ويمثل تغير هذه الاستطاعة بدلالة (ν) تقاسم الطاقة الإشعاعية على امتداد طيف الإشعاع بأكمله. وبمكاملة هذا التابع على جميع قيم (ν) يمكن الحصول على الاستطاعة الإشعاعية الكلية Ptotale الصادرة عن الجسم الحار ويكون:

كما عثر حتى كثافة الطاقة الكلية (Utotale) ترتبط بكثافة الطاقة الطيفية (uν) بعلاقة مماثلة أي:

يبين تغير uν بدلالة ν العائدة لعدة أفران حرارية درجات حرارتها الداخلية t مختلفة. ولتفسير هذا المنحني نظرياً عثر ماكـس بلانك Max Planck أنه لابد من افتراض حتى تبادل الطاقة بين الإشعاع والمادة لا يتم بشكل مستمر، وإنما بشكل كمَّات أوفوتونات. وسمحت له فرضية الفوتون عام 1900 باكتشاف المعادلة التالية الممثلة لكثافة الإشعاع (uν) والتي تُعهد باسمه:

(حيث يرمز k إلى ثابت بولتزمان Boltamann المعروف في الترموديناميك وT إلى درجة حرارة الفرن المطلقة). لقد جاز التحقق من هذا القانون في العام التالي باستنتاج قيمة (h)، كما تم التحقق منه بعشرات التجارب المستقلة.

لقد استخدم آينشتاين مفهوم الفوتون عام 1905 لتفسير المفعول الكهرضوئي l’effet photo-electrique، الذي يحدث لدى تسليط شعاع ضوئي على سطح معدن. فقد توصل إلى حتى طاقة الفوتون تنتقل إلى إلكترون وحيد فتزوِّده بطاقة (Ws) كافية لانتزاعه من سطح المعدن إضافة إلى أنها تكسبه طاقة حركية

أي أن:

وتسمح هذه العلاقة باستنتاج سرعة مغادرة الإلكترون لسطح المادة، كما تسمح بإيجاد تواتر العتبة νs التي لوانخفض تواتر حزمة الضوء الوارد دونها انعدم حدوث المفعول الكهرضوئي مهما بلغت شدة ذلك المنبع أي حتى شرط حدوثه هوحتىقد يكون:

ν > νs= Ws/h

وقد أجرى مليكان R.A.Milikan تجارب عديدة تحقق بها من صحة هذا القانون.

تسمح الفوتونات كذلك بتفسير ظهور الخطوط الطيفية في طيف أنابيب انفراغ الغازات وفي القوس الكهربائي. وقد قدم بور Bohr قانوناً لذلك أعرب عنه عام 1913 يُعدُّ أساساً للبنية الكمومية للذرة. وهي البنية التي تقضي بأن تكون للذرة حالات طاقية محدَّدة w1, w2, w3,. فعندما تعاني الذرة من تحوِّل من حالة طاقية (w1) إلى حالة طاقية (w2) فإن العملية يرافقها امتصاص أوإصدار لفوتون تواتره (ν) يعطى بالعلاقة:

ويبين الشكل (3) ذلك برسم رمزي يوضِّح ظروف امتصاص الفوتون absorption وإصداره emission.

كما قدّمت تجارب انتثار الأشعة السينية على المواد دليلاً إضافياً على وجود الفوتونات، وهوما عهد باسم مفعول كومتون effet Compton، الذي قام بدراسته كومتون A.H.Compton عام 1923. فقد بيَّن كومتون حتى فوتونات الأشعة السينية التي تصطدم تصادماً مرناً مع الإلكترونات الحرة في المادة تعاني من تغير في طول موجتها مقداره (Δν). ولتفسيره ما يحدث استخدم العلاقة p = h/λ واستنتج حتى هذا التغير يعطى بالعلاقة:

(حيث ترمز m إلى كتلة الإلكترون، وθ إلى الزاوية بين اتجاه الفوتون الوارد على المادة والفوتون المنتثر عنها)،.

لقد بيَّنت التجارب المشار إليها أعلاه الخصائص الجسيمية للأمواج الكهرمغنطيسية إلا أنها لا تلغي خصائصها الموجية التي توضِّحها تجارب التداخل والانعراج للفوتونات. إذا تفسير ما يحدث، والذي يعتمد الوصف المحتمل للظاهرة المدروسة، والذي هوالقاعدة المعتمدة في الفيزياء الكمومية، يوفِّق بين الوصفين ويعدّهما وصفين متتامين للأمواج الكهرمغنطيسية. بمعنى حتى الأمواج الكهرمغنطيسية تصف انتشار الفوتون، وتمثل مربعات سعاتها المواضع التي يحتمل وجود الفوتونات فيها.

الاعتراضات المبكرة

ازدواجية الموجة-الجسيم ومبادئ uncertainty

Second quantization

انظر أيضاً

المصادر والهوامش

مصادر اضافية