فوتون

(بالتحويل من فوتونات)
فوتون
ملف:Military laser experiment.jpg
فوتونات منبعثة في حزمة مترابطة من الليزر
التكوين: جسيم أولي
العائلة: بوزون
المجموعة: بوزون قياسي
التفاعل: كهرومغناطيسية
واضع النظرية: ألبرت أينشتاين
الرمز: γ, hν, أو ħω
الكتلة: 0
متوسط العمر: مستقر[١]
الشحنة الكهربائية: 0
الدوران: 1

الفوتون (بالإنجليزية: Photon) 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 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:

E=hcλ،

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

تطور تاريخي

النموذج العياري لفيزياء الجسيمات
ملف:Feynmann Diagram Gluon Radiation.svg
النموذج العياري
عرض · نقاش · تعديل
طالع أيضاً: ضوء
ملف:Young Diffraction.png
أظهرت تجربة الشق المضاعف لتوماس ينغ في 1805 أن الضوء يمكن أن يتصرف مثل الموجة, مساندة بذلك في هزيمة نظريات الجسيم المبكرة للضوء.

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.[٢] 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),[٣] روبرت هوك (1665),[٤] وكريستيان هايغنز (1678);[٥] ,بالرغم من ذلك, ظلت نماذج الجسيم هي الغالبة, بشكل رئيسي لتأثير إسحق نيوتن.[٦] 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.[٧] في 1865, تنبؤات جيمس كلرك ماكسويل[٨] بأن الضوء عبارة عن موجة كهرطيسية والذي تأكد تقريبا في 1888 بواسطة تحسس موجات الراديو من قبل هنريك هيرتز'[٩]—بدا أنها آخر صيحة لنماذج الضوء الجسيمية.

ملف:Light-wave-ar.svg
في 1900, ماكسويل النموذج النظري للضوء على أنه تذبذب مجالين كهربائي ومغناطيسي بدت مكتملة. مع ذلك, العديد من الملاحظات لم يكن ممكنا تفسيرها بأي نموذج موجي من الإشعاع الكهرومغنطيسي, وهذا ادى للفكرة القائلة بأن طاقة الضوء كانت قد رزمت في كمّات الموصوف بالعلاقة E=hν. بينت تجارب لاحقة أن كمات الضوء هذه تحمل أيضا كمية تحرك وعليه, يمكن اعتبارها جسيمات: ولد مفهوم الفوتون, مؤديا إلى تفهم عميق للمجالات الكهربائية والمغنطيسية نفسها.

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.[١٠].[ملاحظات ١]

اكتشاف الفوتون

يمكن تلخيص أبرز الاحداث التاريخية في اكتشاف الفوتون كما يلي:

الفوتون في الفراغ

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 :

E=hν.

حيث:

ν تردد موجة الفوتون

ونعطي هنا مثالا عدديا لفوتون معهود من الفوتونات الضوئية:

E=ω=(6,582119151016eVs)ω ,  

حيث:

E طاقة الفوتون بالإلكترون فولت eV

=h/2π

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:

E=hν=hc/λ=(1,239841939eVμm)/λ

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  :

p=hνc=hλ.

كيف ينشأ الفوتون

ملف:Bohr-atom-PAR.svg
ينشأ الفوتون الضوئي في الذرة عندما يقفز أحد إلكترونات الذرة من مستوي طاقة علوي إلى مستوي طاقة سفلي، عندئذ يطلق الإلكترون فارق الطاقة على هيئة فوتونا له تردد محدد.

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[١١]. 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"[١٢]. 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 عرّف إسحاق عظيموف "كموم الطاقة" بأنها "فوتونات"[١٣][١٤].

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[١٥][١٦]) لأنه تبيّن أنها من الأمواج الكهرومغناطيسية في عام 1914[١٧]. 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[١٨] ولا يضمحل في الفضاء الخالي. الفوتون هو البوزون الحامل للقوة الكهرومغناطيسية[١٩]، ونظريا كل الأعداد الكمية الأخرى للفوتون (مثل عدد الباريون والأعداد الكمية للنكهة) هي صفر[٢٠].

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[٢١]. طاقة وزخم حركة الفوتون يعتمدان فقط إما على تردده (ν) أو بشكل مساو على طوله الموجي (λ):

E=ω=hν=hcλ

حيث أن "K" هو "متجه الموجة" و"ω" هو التردد الزاوي و"ħ" هو ثابت بلانك[٢٢].

وأيضا يملك الفوتون دورانا مغزليا لا يعتمد على تردده. ومقدار دورانه هو 2

الكتلة

يُعتقد حالياً أن الفوتون عديم الكتلة السكونية [ملاحظات ٢] 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 في الزمكان[٢٣]. وهكذا فهي ما زالت سرعة الأمواج في الزمكان (أمواج الجاذبية والجاذبية)، لكنها ليست سرعة الفوتونات.

انظر أيضاً


وصلات خارجية

ملاحظات

  1. ^ ينبغي فهم أنها "بغض النظر عن كمية الشدة" تشير إلى كميات شدتها تحت 1013 W/cm2 تقريبا والتي تبدأ عندها نقطة نظرية التشويش بالانهيار. المثير للاهتمام في موضوع الشدة, والذي يكون للضوء المرئي تقريبا فوق 1014 W/cm2, يتنبأ الوصف الكلاسيكي للموجة أن الطاقة المكتسبة بواسطة الإلكترونات, تدعى طاقة بنديرو الدافعة. إنظر أيضا [١]. بالمقارنة, فإن ضوء الشمس ليس سوى 0.1 W/cm2.
  2. ^ أثبتت نظرية النسبية الخاصة لآينشتاين أن كتلة الأجسام يُمكن أن تزيد في حال تحركت بسرعة قريبة من سرعة الضوء. وعند 86% من سرعة الضوء تتضاعف الكتلة. ولذلك فقد وُلد مصطلحان للتعبير عن الكتلة هما: الكتلة السكونية، وهي كتلة الأجسام عندما تكون ثابتة. والكتلة الحركية، وهي كتلة الأجسام عندما تتحرك بما يقارب سرعة الضوء.

المصادر والمراجع

  1. ^ Official particle table for gauge and Higgs bosons Retrieved 24 October 2006
  2. ^ Rashed, R. (2007). "The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham". Arabic Sciences and Philosophy 17 (1): 7–55 [19]. Cambridge University Press. doi:10.1017/S0957423907000355. “في كتابه البصريات أصغر أجزاء من الضوء, كما يسميها, تحتفظ فقط بخصائص يمكن التعامل معها بالهندسة التحليلية والتحقق منها تجريبياً.” 
  3. ^ Descartes, R. (1637). Discours de la méthode (Discourse on Method). Imprimerie de Ian Maire. (فرنسية)
  4. ^ Hooke, R. (1667). Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon.... London (UK): Royal Society of London. [٢]. 
  5. ^ Huygens, C. (1678). Traité de la lumière. (فرنسية). An ترجمة إنكليزية متوافرة من Project Gutenberg
  6. ^ Newton, I. (1952) [1730]. Opticks (4th ed.). Dover (NY): Dover Publications. Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29. ISBN 0-486-60205-2. 
  7. ^ Buchwald, J.Z. (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. University of Chicago Press. ISBN 0-226-07886-8. OCLC 18069573. 
  8. ^ Maxwell, J.C. (1865). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. doi:10.1098/rstl.1865.0008.  تلى هذا المقال عرضاً تقديميا من ماكسويل في 8 ديسمبر 1864 للجمعية الملكية.
  9. ^ Hertz, H. (1888). "Über Strahlen elektrischer Kraft". Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin) 1888: 1297–1307.  (ألمانية)
  10. ^ اعتماد التردد الإضاءة ص. 276f., التأثير الكهروضوئي قسم 1.4 في Alonso, M.; Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-00262-0. 
  11. ^ Einstein, A. (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik 17: 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607.  (ألمانية). A partial English translation is available from Wikisource.
  12. ^ Lewis, G.N. (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874–875. doi:10.1038/118874a0. 
  13. ^ Asimov, I. (1966). The Neutrino, Ghost Particle of the Atom. Garden City (NY): Doubleday. قالب:LCCN. 
  14. ^ Asimov, I. (1966). The Universe From Flat Earth To Quasar. New York (NY): Walker. قالب:LCCN. 
  15. ^ Villard, P. (1900). "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium". Comptes Rendus des Séances de l'Académie des Sciences (Paris) 130: 1010–1012.  (فرنسية)
  16. ^ Villard, P. (1900). "Sur le rayonnement du radium". Comptes Rendus des Séances de l'Académie des Sciences (Paris) 130: 1178–1179.  (فرنسية)
  17. ^ Rutherford, E.; Andrade, E.N.C. (1914). "The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B". Philosophical Magazine 27: 854–868. 
  18. ^ Kobychev, V.V.; Popov, S.B. (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31: 147–151. doi:10.1134/1.1883345. 
  19. ^ Role as gauge boson and polarization section 5.1 in Aitchison, I.J.R.; Hey, A.J.G. (1993). Gauge Theories in Particle Physics. IOP Publishing. ISBN 0-85274-328-9. 
  20. ^ See p.31 in Amsler, C.; et al. (2008). "Review of Particle Physics". Physics Letters B667: 1–1340. .
  21. ^ See section 1.6 in Alonso, M.; Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-00262-0. 
  22. ^ Electromagnetic radiation is made of photons
  23. ^ David Mermin (February 1984). "Relativity without light". American Journal of Physics 52(2): 119–124. 
  • Grangier, P; Roger G, and Aspect A. (1986). "Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences". Europhysics Letters 1: 501–504
  • Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. An excellent history of the photon's early development

az:Foton bar:Photon be:Фатон be-x-old:Фатон bg:Фотон bn:ফোটন bs:Foton ca:Fotó cs:Foton cy:Ffoton da:Foton de:Photon el:Φωτόνιο Photon]] eo:Fotono es:Fotón et:Footon eu:Fotoi fa:فوتون fi:Fotoni fiu-vro:Foodon fr:Photon ga:Fótón gl:Fotón he:פוטון hi:फ़ोटोन hr:Foton ht:Foton hu:Foton id:Foton io:Fotono it:Fotone ja:光子 jv:Foton ka:ფოტონი kn:ಫೋಟಾನ್ ko:광자 ku:Foton la:Photon lt:Fotonas lv:Fotons mg:Voankazavana mk:Фотони ml:ഫോട്ടോൺ ms:Foton nds:Photon nl:Foton nn:Foton no:Foton pl:Foton pnb:فوٹون pt:Fotão ro:Foton ru:Фотон scn:Fotoni sh:Foton simple:Photon sk:Fotón sl:Foton sq:Fotoni sr:Фотон su:Foton sv:Foton ta:ஒளியணு th:โฟตอน tr:Foton uk:Фотон ur:نوریہ vi:Photon zh:光子 zh-min-nan:Kng-chú