تعريف الفوتون
تعريف الفوتون هو الوحدة الأساسية للضوء، وهو جسيمًا متحركًا باستمرار، ويتحرك في الفراغ بسرعة الضوء، وهو جسيم أولي صغير للغاية.
والمسئول عن الظاهرة الكهرومغناطيسية، وأثبت العلماء أن الشعاع الضوئي يتكون من وحدات صغيرة تعرف بالفوتونات، وتوجد في الأشعة الضوئية.
تعريف الفوتون
الفوتون هو أصغر كمية ضوئية، وهو أصغر حزمة طاقة دقيقة للإشعاع الكهرومغناطيسي، فالضوء يتكون من سيل من الفوتونات، وتزداد شدة الضوء بزيادة الفوتونات.
خصائص الفوتونات
يوجد الكثير من الخصائص للفوتونات، منها أن الفوتون جسيم وموجة في نفس الوقت، بالإضافة إلى الخصائص التالية:
- يتحرك الفوتون بسرعة الضوء في الفراغ.
- ليس هناك كتلة للفوتون، ولكن لها طاقة وزخم حركي وفقًا للتردد وطول الموجة.
- يتكون الفوتون أو يتلاشى عند امتصاص الإشعاع أو انبعاثه.
- طاقة الفوتون لا يمكن تقسيمها.
- يمكنه التفاعل مع الجسيمات الأخرى كالإلكترونات.
- له طول موجي، وتردد خاص به مثل الموجات الكهرومغناطيسية.
- ليس له لون، فهو شفاف، ولا يمكن رؤيته بالعين البشرية، ولكن يتم إدراكه عندما تنسجم مجموعة كبيرة منه على شبكة العين.
- لا يتكون الضوء من فوتونات فقط، بل يتكون من أشكال أخرى للطاقة الكهرومغناطيسية، مثل الأمواج الميكروية، والأشعة السينية.
- الفوتونات متعادلة كهربائيًا، ولا تتحلل الفوتونات تلقائيًا.
- والفوتونات مستقرة كهربائيًا، وليس بها شحنة كهربائية.
- كل فوتون يحمل مقدار من الطاقة يختلف وفقًا للتردد والمدار.
- يمكن للفوتونات أن تتفاعل مع جسيمات أخرى، كالإلكترونيات سالبة الشحنة.
شاهد أيضا: بحث عن الطاقة ومصادرها وصورها
كيف تم اكتشاف الفوتون؟
بدأت اكتشافات الفوتون في بدية القرن ال20 بعام 1901م، وذلك من خلال الاكتشافات التالية:
- كانت البداية في عام 1901م، من خلال نظرية بلانك للجسم الأسود.
- وبعدها اكتشف العالم لينارد في عام 1902 أن طاقة الإلكترونات لا تعتمد على شدة الضوء، وإنما على الطول الموجي.
- وفي عام 1905م، أكد العالم “آينشتاين” على اكتشاف لينارد، لافتًا أن الطاقة موزعة في الفضاء، وبصورة غير منتظمة.
- ودمج آينشاتين نظرية بلانك مع الميكانيكا الإحصائية، واكتشف أن الضوء عبارة عن كم، وأوضح سلوك الجسيمات.
- وأكد على أن الجسيمات لا تحمل الطاقة فقط، بل أيضًا الزخم.
- وأطلق العالم لويس مصطلح الفوتونات في مقالته في عام 1926م، تحت عنوان حفظ الفوتونات.
- وتوصل لويس إلى أن الفوتونات عبارة عن ذرات من الضوء.
- وفي عام 1977م، انتهى من إثبات مفهوم الفوتون.
أهمية الفوتونات
الفوتونات موجودة في كل مكان، ويتم استخدامها على نطاق واسع في جميع أجهزة التحكم عن بعد، وتستخدم في الآتي:
- لها أهمية بالغة في أمواج بث الإذاعة، والقنوات التلفزيونية.
- وتستخدم في الأجهزة الخاصة بتفتيش الحقائب، والأغراض المختلفة في المطارات.
كيف ينشأ الفوتون
ينشأ الفوتون في الغلاف الذري الإلكتروني، وتتأثر الذرة بفعل الحرارة، وبالتالي يحدث الآتي:
- يصبح أحد الإلكترونات في مستوى الطاقة للذرة عالي.
- ولا يمكن للإلكترون البقاء في هذا المستوى، وسرعان ما يقفز لمستوى طاقة سفلي.
- وفارق الطاقة يطلق على هيئة شعاع ضوء، له تردد، وطول موجة محددان.
مميزت الفوتونات
تتميز الفوتونات بأنها موجودة في مكان حولنا، ولا يمكن أن تصطدم ببعضها البعض، وتتميز بالآتي أيضًا:
- وتتميز الفوتونات بأن لها دوران مغزلي، ولا يعتمد على تردده.
- وأوضحت التجارب، أن حفظ الطاقة وزخم الحركة يتم بشكل جيد، واهتزاز الإلكترون، وتوليد فوتون جديد يخضع للسببية خلال 10 بيكو ثانية.
- ويعد تعريف الفوتون هو حزمة من الطاقة، وهو أساس ميكانيكا الكم، وهي النظرية الأساسية التي تعتمد عليها معظم الفيزياء الحديثة.
اقرأ أيضا: تعريف الشمس
ماهو زخم الفوتون؟
طاقة الفوتون هي الطاقة التي يحملها فوتون واحد، وتتناسب مع الطاقة بشكل مباشر مع تردد الفوتون الكهرومغناطيسيي، ويحدث الآتي:
- تتناسب مع طول الموجة عكسيًا، وكلما زاد تردد الفوتون كلما زادت طاقته بالتساوي.
- وكلما كان طول موجة الفوتون أطول كلما انخفضت طاقته.
- طاقة الفوتون هي دالة لطول موجة الفوتون.
- شدة الإشعاع لا تؤثر على طاقة الفوتون.
- واستطاع كومبتون إثبات أن الفوتون له زخم واحد، وأخذ على هذا الاكتشاف جائزة نوبل.
- حيث أثبت كومبتون أن تشتت الفوتون بواسطة جسيم مشحون إلكترون ينتج عنه انخفاض طاقة الفوتون، أي زيادة الطول الموجي.
- وتبعث طاقة الفوتون على هيئة أشعة إكس، أو أشعة غاما فوتون.
- وهذا ما يعرف بتأثير كومبتون، وتم نقل جزء من طاقة الفوتون للإلكترون المرتد.
ما هي طاقة الفوتون؟
طاقة الفوتون هي الطاقة التي يحملها فوتون واحد، ومقدار هذه الطاقة يتناسب طرديًا مع التردد الكهرومغناطيسي للفوتون، وكذلك الآتي:
- ويتناسب مقدار هذه الطاقة عكسيًا مع الطول الموجي، أي أنه كلما ازداد تردد الفوتون زادت طاقته، وكلما زاد طوله الموجي قلت طاقته.
- والتعبير عن طاقة الفوتون يكون باستخدام وحدات الطاقة.
- ويفضل استخدام الوحدات الكبيرة عند الإشارة لطاقة الفوتونات في الطاقة العالية والترددات العالية، مثل أشعة جاما.
- بينما الفوتونات ذات الطاقة المنخفضة تستخدم في نطاق تردد الراديو في الطيف الكهرومغناطيسي.
نظرية آينشتاين عن الفوتون
افترض آينشتاين أن الفوتونات عبارة عن جسيمات، والضوء يملك طبيعة جسيمية، وأشار إلى الآتي:
- بعد اكتشاف ظاهرة التأثير الكهروضوئي، فإن الإلكترونات تتطاير من صفيحة معدنية عندما تتعرض لحزمة من الضوء.
- ولو كان الضوء موجة ما كان ذلك قد حدث.
- وأضاف أن طاقة الفوتون مرتبطة بتردد ذبذبة الفوتون، فهي تساوي تردد الذبذبة المضروبة في ثابت بلانك.
- وترتبط شدة الضوء بعدد الفوتونات.
شاهد من هنا: تعريف قوة جذب الأرض للأجسام
وبذلك فإنه من خلال موقعنا mqall.org، نكون قد علمنا تعريف الفوتون، باعتباره حزمة مفاهيمية للطاقة.
وهو من الأمور الهامة في ميكانيكا الكم، والميكانيكا الكلاسيكية، لأنه من المفاهين التي تطورت ميكانيكا الكم بشكل واضح.