الفوتون يُعرَّف كجوهر الضوء، وهو جسيم أساسي يتحرك باستمرار في الفضاء بسرعة الضوء. يُعتبر الفوتون جسيمًا أوليًا صغير الحجم للغاية.
تُعتبر الفوتونات هي المسؤولة عن الظاهرة الكهرومغناطيسية، حيث أثبت العلماء أن شعاع الضوء يتكون من وحدات دقيقة تُعرف بالفوتونات، والتي تظهر في الأشعة الضوئية.
ما هو الفوتون؟
الفوتون هو أصغر كمية من الضوء ويُعتبر جزءًا دقيقًا من الإشعاع الكهرومغناطيسي. يتكون الضوء من سيل متواصل من الفوتونات، وتزداد كثافة الضوء مع زيادة عدد الفوتونات.
خصائص الفوتونات
تتميز الفوتونات بعدة خصائص، منها كونها تُعتبر جسيم وموجة في آن واحد، بالإضافة إلى الخصائص التالية:
- تتحرك الفوتونات بسرعة الضوء في الفراغ.
- تفتقر الفوتونات للكتلة، لكنها تحمل طاقة وزخمًا وفقًا للتردد وطول الموجة.
- تتكون الفوتونات أو تختفي عند امتصاص الإشعاع أو انبعاثه.
- لا يمكن تقسيم طاقة الفوتون.
- تستطيع الفوتونات التفاعل مع جسيمات أخرى مثل الإلكترونات.
- تمتلك كل فوتون طول موجي وتردد خاص به مثل الموجات الكهرومغناطيسية.
- الفوتونات بلا لون، وبالتالي فهي غير مرئية بالعين البشرية، ولكن تُدرك عندما يتجمع عدد كبير منها على شبكة العين.
- لا يتكون الضوء من الفوتونات فقط، بل يتكون أيضًا من أشكال أخرى من الطاقة الكهرومغناطيسية مثل الأشعة الميكروية والأشعة السينية.
- تتميز الفوتونات بأنها متعادلة كهربائيًا ولا تتحلل بشكل تلقائي.
- تظهر الفوتونات استقرارًا كهربائيًا، ولا تمتلك شحنة كهربائية.
- كل فوتون يحمل طاقة تختلف وفقًا للتردد والطول الموجي.
- يمكن أن تتفاعل الفوتونات مع جسيمات أخرى، بما في ذلك الإلكترونات سالبة الشحنة.
تاريخ اكتشاف الفوتون
بدأت اكتشافات الفوتون في أوائل القرن العشرين، وتحديدًا في عام 1901، من خلال الاكتشافات التالية:
- بدأت هذه الاكتشافات بنظرية بلانك للجسم الأسود عام 1901.
- في عام 1902، اكتشف العالم لينارد أن طاقة الإلكترونات تعتمد على الطول الموجي وليس على شدة الضوء.
- أكد آينشتاين في عام 1905 على اكتشاف لينارد، مشيرًا إلى توزيع الطاقة في الفضاء بشكل غير منتظم.
- دمج آينشتاين بين نظرية بلانك والميكانيكا الإحصائية، موضحًا أن الضوء يتكون من كميات صغيرة.
- وأشار إلى أن الجسيمات لا تحمل الطاقة فقط، بل تحمل الزخم أيضًا.
- أطلق العالم لويس مصطلح الفوتون في مقالته عام 1926 تحت عنوان الحفاظ على الفوتونات.
- توصل لويس إلى أن الفوتونات تُعتبر ذرات من الضوء.
- بحلول عام 1977، أثبت المفهوم الشامل للفوتون.
أهمية الفوتونات
تتواجد الفوتونات في كل مكان وتستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات مثل:
- تُعتبر – الفوتونات أساسية في موجات البث الإذاعي والقنوات التلفزيونية.
- تُستخدم في الأجهزة الخاصة بتفتيش الحقائب والأغراض المختلفة في المطارات.
كيفية نشوء الفوتون
تتكون الفوتونات في الغلاف الذري الإلكتروني، حيث تؤثر الحرارة على الذرة مما يؤدي إلى:
- رفع مستوى طاقة أحد الإلكترونات في الذرة.
- لا يُمكن للإلكترون البقاء في هذا المستوى لفترة طويلة، لذا يقفز إلى مستوى طاقة أدنى.
- فارق الطاقة يُطلق في شكل شعاع ضوء، له تردد وطول موجي محددان.
ميزات الفوتونات
تتميز الفوتونات بتواجدها في محيطنا وعدم إمكانية تصادمها مع بعضها البعض، وتتميز أيضًا بما يلي:
- تُظهر الفوتونات دورانًا مغزليًا لا يتأثر بترددها.
- أوضحت التجارب أن الحفاظ على الطاقة والزخم يتم بشكل جيد خلال 10 بيكو ثانية عندما يصطدم الإلكترون، مما ينتج فوتونًا جديدًا.
- يُعرَّف الفوتون بأنه حزمة من الطاقة، وهو أساس ميكانيكا الكم، وهي النظرية الرئيسية التي تُبنى عليها معظم مفاهيم الفيزياء الحديثة.
زخم الفوتون
طاقة الفوتون هي مقدار الطاقة التي يحملها فوتون واحد، وتتناسب مع التردد الخاص بالفوتون الكهرومغناطيسي. المفاهيم المرتبطة تشمل:
- تتناسب الطاقة عكسيًا مع طول الموجة؛ كلما زاد التردد زادت الطاقة بشكل متناسب.
- كلما كان طول موجة الفوتون أطول، كلما انخفضت طاقته.
- تعتبر طاقة الفوتون دالة لطول موجته.
- شدة الإشعاع لا تؤثر على طاقة الفوتون.
- تمكن كومبتون من إثبات وجود زخم للفوتون، حصل على جائزة نوبل نتيجة لذلك.
- أظهر كومبتون أن تشتت الفوتون بواسطة جسيم مشحون يسبب انخفاضًا في طاقة الفوتون، مما يزيد من الطول الموجي.
- تُبعث طاقة الفوتون في شكل أشعة إكس أو أشعة غاما.
- تُعرف هذه الظاهرة بتأثير كومبتون، حيث ينقل جزء من طاقة الفوتون للإلكترون المرتد.
طاقة الفوتون
طاقة الفوتون التي يحملها فوتون واحد تزداد بزيادة التردد الكهرومغناطيسي، ويترافق ذلك مع:
- تناسب عكسي مع الطول الموجي؛ كلما زاد تردد الفوتون، زادت طاقته.
- يُفضل استخدام وحدات الطاقة الكبيرة عند الإشارة إلى طاقة الفوتونات ذات الترددات العالية، مثل أشعة غاما.
- بينما تُستخدم الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة في نطاق تردد الراديو ضمن الطيف الكهرومغناطيسي.
نظرية آينشتاين حول الفوتون
افترض آينشتاين أن الفوتونات جسيمات وأن الضوء يمتلك خصائص جسيمية، مشيرًا إلى ما يلي:
- بعد اكتشاف ظاهرة التأثير الكهروضوئي، تُطلق الإلكترونات من صفيحة معدنية عند تعرضها لحزمة ضوئية.
- يستحيل حدوث ذلك في ظل كون الضوء موجة.
- أكد أن طاقة الفوتون مرتبطة بتردد ذبذبة الفوتون، حيث تتناسب هذه الطاقة مع تردد الذبذبة مضروبًا في ثابت بلانك.
- ترتبط شدة الضوء بعدد الفوتونات الموجودة.
