تعريف الفوتون نتحدث عنه من خلال هذا المقال ونذكر لكم أيضا مجموعة متنوعة من الفقرات المميزة الأخرى مثل طاقة الفوتون وخواص الفوتونات والخاتمة تاريخ اكتشاف الفوتون الفوتون. تابع السطور التالية.
تعريف الفوتون
الفوتون، أو الضوء في الفيزياء، هو جسيم أولي، وهو كم الضوء وجميع أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي الأخرى، والحامل للقوة الكهرومغناطيسية. من السهل ملاحظة تأثيرات هذه القوة على المستويين المجهري والعياني، لأن افتقار الفوتون إلى كتلة السكون يسمح بالتفاعل عبر مسافات طويلة. كما هو الحال مع جميع الجسيمات الأولية، توفر ميكانيكا الكم حاليًا أفضل تفسير للفوتونات. تتمتع الفوتونات بخاصية ازدواجية الموجة والجسيم، حيث تظهر خصائص كل من الموجات والجسيمات. فالفوتون الواحد يمكن أن ينكسر بفعل العدسات والتداخل، ومن الممكن أن يتصرف مثل الجسيم، فيعطي نتيجة محددة عند قياسه وتحديد موضعه. ويتميز بأنه ليس له كتلة ساكنة، ولا شحنة كهربائية، ويتحرك في الفراغ بسرعة الضوء.
– طور ألبرت أينشتاين تدريجيًا المفهوم الحديث للفوتون لشرح الملاحظات التجريبية التي لا تتوافق مع النموذج الموجي التقليدي للضوء. وقد أوضح نموذج الفوتون بشكل خاص اعتماد طاقة الضوء على تردده، وأوضح قدرة المادة والإشعاع على أن يكونا في حالة من التوازن الحراري. كما أوضح النموذج الحديث للفوتون الملاحظات الشاذة لخصائص إشعاع الجسم الأسود، والتي سعى العديد من علماء الفيزياء، وأبرزهم ماكس بلانك، إلى تفسيرها باستخدام نماذج شبه كلاسيكية تصف الضوء بمعادلات ماكسويل وتكمم الأجسام المادية التي تشع وتمتص. ضوء. على الرغم من أن هذه النماذج شبه الكلاسيكية ساهمت في تطوير ميكانيكا الكم، إلا أن التجارب اللاحقة أثبتت صحة فرضية أينشتاين بأن الضوء في حد ذاته كمي وأن الفوتونات هي كم الضوء.
خصائص الفوتونات
– الفوتون ليس له لون؛ وهي شفافة ولا يمكن رؤيتها بالعين البشرية، على عكس الموجات الكهرومغناطيسية، ولكن يمكن رؤيتها في حالة واحدة، وهي عندما تصطدم مجموعة كبيرة من الفوتونات بالشبكية.
– يمتلك الفوتون طاقة غير قابلة للتجزئة، ويتم تخزينها على شكل مجال كهربائي متذبذب.
– يمكن أن يتفاعل مع جسيمات أخرى مثل الإلكترونات.
-للفوتون طول موجي وتردد خاص به، مثل الموجات الكهرومغناطيسية.
– الفوتون ليس له لون؛ إنه شفاف.
– الفوتون عبارة عن جسيم وموجة.
– يتحرك الفوتون بسرعة الضوء (2.9979×108) م/ث في الفراغ.
– الفوتون ليس له كتلة، ولكن لديه طاقة وزخم حركي مرتبط بالتردد والطول الموجي.
– يتشكل الفوتون أو يدمر عند امتصاص الإشعاع أو انبعاثه.
طاقة الفوتون
في عام 1922، تعامل الأمريكي الحائز على جائزة نوبل آرثر كومبتون مع تشتت الأشعة السينية من الإلكترونات على أنها مجموعة من الاصطدامات بين الفوتونات والإلكترونات، مما أدى إلى تكييف العلاقة بين الزخم والطاقة لموجة كهرومغناطيسية كلاسيكية لفوتون واحد P=E/c=hf/ c =h/ γ، استخدم كومبتون أيضًا قوانين الحفاظ على الزخم والطاقة لاشتقاق تعبير عن تحول الطول الموجي للفوتون المتناثر من الأشعة السينية كدالة لل زاوية التشتت. تطابقت صيغته مع نتائجه التجريبية، واعتبر تأثير كومبتون دليلاً مقنعًا إضافيًا على وجود جزيئات الإشعاع الكهرومغناطيسي.
طاقة الفوتون من الضوء المرئي هي أيضًا صغيرة جدًا، في حدود 4 × 10−19 جول، ووحدة الطاقة الأكثر ملاءمة في هذا النظام هي الإلكترون فولت (eV). الإلكترون الواحد يساوي الطاقة التي يكتسبها الإلكترون عندما يتغير جهده الكهربائي بمقدار فولت واحد: 1 فولت = 1.6 × 10−19 جول. يشمل طيف الضوء المرئي أيضًا فوتونات ذات طاقات تتراوح من حوالي 1.8 فولت (الضوء الأحمر) إلى حوالي 3.1 فولت (الضوء البنفسجي). .
-لا تستطيع رؤية الإنسان اكتشاف الفوتونات المفردة، على الرغم من أنها في ذروة استجابتها الطيفية (حوالي 510 نانومتر، باللون الأخضر)، مع اقتراب العين المتكيفة مع الظلام، وفي ظل ظروف ضوء النهار العادية، فإن الطبيعة المنفصلة للضوء الذي يدخل إلى العين البشرية تكون غير كاملة تمامًا. تحجبها عدد كبير جدًا من الفوتونات المعنية. على سبيل المثال، ينبعث مصباح قياسي بقدرة 100 واط في حدود 1020 فوتونًا في الثانية على مسافة 10 أمتار من المصباح، وربما يدخل 1011 فوتونًا في الثانية إلى بؤبؤ العين المضبوط عادةً بقطر 2 مم.
الموجات الكهرومغناطيسية والفوتونات
تنتج الموجات الكهرومغناطيسية عن التذبذبات المنبعثة من المجالات الكهربائية والمغناطيسية، حيث تبعث هذه الموجات إشعاعات تتفاعل معها الشحنات المتحركة للذرات والجزيئات لتشكل السحب الإلكترونية. ويلاحظ أن الإلكترون يكون في حالة منخفضة الطاقة عندما يُصدر شعاعاً منفصلاً من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وإذا أراد نفس الإلكترون يصل إلى مستوى طاقة أعلى؛ وسوف تمتص حزمة منفصلة من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتعتمد هذه الطاقة على تردد الموجة الكهرومغناطيسية، فتمتص الذرات وتصدر ترددات معينة من الإشعاع الكهرومغناطيسي حسب الطاقة الكمومية المرتبطة بها، وتسمى حزم الطاقة هذه بالفوتونات.
تاريخ اكتشاف الفوتون
بدأت سلسلة اكتشافات الفوتون في بداية القرن العشرين عام 1901م من خلال اكتشاف نظرية بلانك عن الجسم الأسود، وتلاها في عام 1902م اكتشاف العالم ليونارد أن طاقة الإلكترونات لا تعتمد على شدة الضوء، بل على الطول الموجي. وفي عام 1905م، أشاد العالم أينشتاين باكتشاف ليونارد، حيث ذكر أن الطاقة تتوزع في الفضاء بطريقة غير منظمة؛ قام بدمج نظرية بلانك مع الميكانيكا الإحصائية، وخلص إلى أن الضوء هو كم، وفي عام 1923م قدم أينشتاين دليلاً واضحًا حول سلوك الجسيمات، وتوضيحًا أن هذه الجسيمات لا تحمل طاقة فحسب، بل تحمل زخمًا أيضًا، بعد أن أجرى نظرية كومبتون تجارب على تشتت الأشعة السينية على الإلكترونيات. مصطلح الفوتونات صاغه العالم لويس في مقالته بعنوان حفظ الفوتونات عام 1926م، حيث خلص إلى أن الفوتونات هي ذرات من الضوء يتم حفظها بطريقة تشبه الذرات الطبيعية. وفي عام 1977م، أكمل إثبات مفهوم الفوتون كأول ظاهرة بصرية كمومية أساسية تم فحصها بعناية في مجلة الفيزياء.