تعريف الفوتون في الفيزياء. نتحدث عنها من خلال هذا المقال. كما نذكر لكم مجموعة متنوعة من الفقرات المميزة الأخرى، مثل أهم مميزات الفوتونات، وأهم مميزات الفوتونات، والخاتمة: الفوتون مقابل الفونون. تابع السطور التالية.
تعريف الفوتون في الفيزياء
يُعرف الفوتون في الفيزياء بأنه قطعة صغيرة من الطاقة تتحرك بسرعة الضوء، ولها طول موجي وتردد محدد. يُعرف الفوتون أيضًا بالكم البصري. وقد عرفها ألبرت أينشتاين عام 1905م عندما شرح التأثير الكهروضوئي ولاحظ وجود حزم طاقة منفصلة أثناء انتقال الضوء. لقد مهد الألمان الطريق لهذا المفهوم. ماكس بلانك عام 1900م عندما لاحظ انبعاث الإشعاع الحراري وامتصاصه في وحدات منفصلة. ويذكر أن مصطلح الفوتون استخدم عام 1926م، إذ تبين أن الفوتون يتحرك بسرعة الضوء وتعتمد طاقته على تردد الإشعاع. كما تبعث الفوتونات جميع أنواع الطاقات، مثل: أشعة جاما،
كيف يتم إنشاء الفوتون؟
وينشأ الفوتون الضوئي في الغلاف الذري الإلكتروني عندما تتأثر الذرة بالحرارة مثلا، فيصبح أحد الإلكترونات عند مستوى طاقة مرتفع للذرة. لا يمكن للإلكترون أن يبقى عند هذا المستوى، لذلك يقفز بسرعة إلى مستوى طاقة أقل ويحرر فرق الطاقة على شكل فوتون (شعاع ضوئي) بتردد محدد. أو طول موجي محدد.
– ذرة الصوديوم مثلا عندما تثار تبعث شعاعين من الضوء بطول موجي 589 نانومتر و 590 نانومتر. ويقع هذان الشعاعان في المنطقة الصفراء من الطيف. وهذان الشعاعان عبارة عن فوتونات.
يصدر طيف الزئبق خطين من الفوتونات بطول موجي 579 و577 نانومتر، يقعان في منطقة الضوء الأصفر، وخط ثالث بطول موجي 546 نانومتر، يقع في منطقة الضوء الأخضر.
يتم إنشاء كل فوتون من هذه الفوتونات عندما يقفز الإلكترون من مستوى طاقة مرتفع إلى مستوى طاقة منخفض. وتتراوح طاقة هذه الفوتونات بين 0.5 و0.6 إلكترون فولت (أي أقل من 1 إلكترون فولت).
– بشكل عام، الفوتونات هي أشعة كهرومغناطيسية، بعضها يمكن رؤيته وينتمي إلى أشعة الضوء المرئية، والبعض الآخر يمكن أن يظهر على شكل شعاع من الأشعة السينية عالية الطاقة وبالتالي فهي تتمتع بدرجة عالية من الاختراق. تنشأ الأشعة السينية عندما يقفز الإلكترون من مستوى عال في الذرة إلى مكان خال في الذرة بالقرب من النواة. فرق الطاقة بين المستويين كبير ويصل إلى عدة مئات من الإلكترون فولت.
وهناك نوع من الفوتون ذو طاقة عالية جداً تصل إلى عدة ملايين من الإلكترون فولت، مثل أشعة جاما. ولا تنشأ هذه الفوتونات في الغلاف الذري للعناصر، بل تأتي من نواة الذرة.
أهم مميزات الفوتونات
ومن أهم ما يميز هذه الفوتونات أنها تتواجد في العديد من الأماكن حولنا في جميع أنحاء العالم.
ولا يمكن أن يصطدما ببعضهما البعض، إذ لو اصطدما لن نتمكن من رؤية الأضواء ولن نتمكن من إنشاء محطات فضائية. العلاقة بين طاقة الفوتون وزخمه هي “E = pc”، حيث “E” هي الطاقة، و”p” هو مقدار متجه الزخم، و”c” هي سرعة الضوء.
-للفوتون أيضًا دوران لا يعتمد على تردده. من المقبول حاليًا أن الفوتون عديم الكتلة ثابت، ولكن إذا كان الفوتون عديم الكتلة فإنه لا يمكنه التحرك بسرعة c في الفراغ. بل يجب أن تكون سرعتها أقل وتعتمد على ترددها.
-ولكن من الواضح أن ما يعرف عن “ج” من سرعة حركة الضوء هو خطأ. بل هو ثابت طبيعي يمثل السرعة القصوى التي يمكن لأي جسم أن يتحرك بها نظريًا. وبالتالي، فهي لا تزال هي سرعة الموجات في الجاذبية وموجات الجاذبية، ولكنها ليست سرعة الفوتونات.
أظهرت تجارب كومبتون أن الطاقة والزخم يتم حفظهما بشكل جيد للغاية في العمليات الأولية. يحدث اهتزاز الإلكترون وتوليد فوتون جديد خلال 10 بيكو ثانية، وذلك عندما وضع بور وزملاؤه نموذجهم نهاية مشرفة.
ومع ذلك، فإن فشل نموذج بور-كرامرز-سلاتر ألهم الفيزيائي فيرنر هايزنبرغ لتطوير ميكانيكا المصفوفة. وقد حاول العديد من الفيزيائيين أيضًا تطوير نماذج شبه كلاسيكية، والتي تصف الإشعاع الكهرومغناطيسي بأنه غير كمي.
تخضع المادة أيضًا لقوانين ميكانيكا الكم.
– على الرغم من أن الأدلة على وجود الفوتونات من التجارب الفيزيائية والكيميائية كانت دامغة، إلا أنها لن تعتبر نتيجة مطلقة.
– ونظرًا لاعتماده على التفاعل بين الضوء والمادة، فقد دحض تمامًا جميع النظريات شبه التقليدية المعقدة المتعلقة بالمادة في السبعينيات والثمانينيات. من خلال التجارب المتعلقة بالفوتون، تم نشر وإثبات نظرية أينشتاين القائلة بأن التكميم هو خاصية للضوء نفسه.
الفوتون مقابل الفونون
الفونون والفوتون كلمتان متقاربتان للغاية، ويمكن الخلط بينهما لنفس الشيء. الفوتون عبارة عن حزمة من الطاقة، وهي أساس ميكانيكا الكم، والصوت هو التذبذب الجماعي للعديد من الذرات. كلا هذين المفهومين مهمان جدًا في الفيزياء. نظرية الفوتون هي النظرية الأساسية. والذي تعتمد عليه معظم الفيزياء الحديثة، يعد الفونون أيضًا مفهومًا مهمًا في دراسة المواد وتذبذباتها الداخلية. في هذه المقالة، سنناقش ما هو الفونون والفوتون، وأوجه التشابه بينهما. تعريفاتها، تطبيقات الفونون والفوتون، وأخيرا الفرق بين الفوتون والفونون.