تعريف الفوتون:
الفوتون هو الوحدة الأساسية للضوء، وهو كَمّات من الأشعة الكهرومغناطيسية متناهية الصغر.
ليس الفوتون جسيمًا ساكنًا، بل يتحرك باستمرار، إذ يتحرك في الفراغ بسرعة الضوء التي تبلغ 2.998*10^8 متر في الثانية، ويُشار إليها عادة بالرمز (C).
أثبت أينشتاين أن الضوء يتكون من سيل من الفوتونات، وأن شدة الضوء تزداد بزيادة عددها. وفقًا لأينشتاين، يمتلك الفوتون طاقة تساوي تردد ذبذبته مضروبة في ثابت بلانك، وشرح ازدواجية سلوك الفوتون بوصفه موجة وجسيمًا.
تخيل حزمة من أشعة الشمس تدخل نافذة غرفتك، وفقًا لميكانيكا الكم تتكون تلك الحزمة من عدد لا نهائي من جسيمات متناهية الصغر تُسمى فوتونات.
خصائص الفوتونات:
- جسيمات عديمة الكتلة، عديمة طاقة السكون، إذ لا تكف عن الحركة.
- جسيمات أولية، مع أنها عديمة الكتلة.
- عديمة الشحنة الكهربية.
- جسيمات مستقرة.
- يُصنف الفوتون من البوزونات، إذ يمتلك لفًا ذاتيًا قيمته واحد.
- تحمل الفوتونات الطاقة وقوة الدفع المرتبطة برقم الموجة (التردد).
- تستطيع التفاعل مع الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات، ومن أمثلة ذلك تأثير كومبتون.
- يمكن تدميرها أو امتصاصها بواسطة العمليات الطبيعية، عند انبعاث الشعاع أو امتصاصه.
- تسافر بسرعة الضوء في الفراغ.
مفهوم الفوتون حديثًا
افترض أينشتاين أن الفوتونات هي جسيمات، وسيل الفوتونات هو موجات، وأن الضوء يملك طبيعة جسيمية، بعد أن اكتشف ظاهرة التأثير الكهروضوئي، إذ تتطاير الإلكترونات من صفيحة معدنية عند تعرضها لحزمة من الضوء، ولو كان الضوء موجةً لما حدث ذلك.
النقطة الأساسية في نظرية أينشتاين الكمية حول الضوء هي أن طاقة الفوتون ترتبط بتردد ذبذبته، إذ تساوي تردد الذبذبة مضروبة في ثابت بلانك، وتزداد طاقة الفوتون بازدياد التذبذب، في حين ترتبط شدة الضوء بعدد الفوتونات، ترجع الخصائص المختلفة للضوء إلى سلوك الجسيمات متناهية الصغر المُسماة الفوتونات، وهي نوع من الأمواج الكهرومغناطيسية.
أكد أينشتاين أنه عند اصطدام الفوتون في أحد إلكترونات صفيحة معدنية، سيكتسب الإلكترون طاقة الفوتون ويتطاير نحو الخارج، وكلما ازداد تردد ذبذبة الفوتونات التي تضرب الإلكترون، ازدادت طاقته، وأفضل مثال على ذلك ألواح الطاقة الشمسية.
تمكن أينشتاين من إثبات نظريته من طريق استنتاج قيمة ثابت بلانك في تجربة التأثير الكهروضوئي، إذ كانت قيمته 6.6260755*10^-34، وهو بالضبط ما استنتجه بلانك سنة 1900 في دراسته للموجات الكهرومغناطيسية، ما يدل على العلاقة القوية بين خصائص الفوتون وتردد ذبذبة الضوء بوصفه موجة، وقوة دفع الضوء بوصفه جسيمًا، لاحقًا شرح الفيزيائي النمساوي شرودنغر هذه الأفكار في معادلة تصف شكل الموجة.
بعد أكثر من مئة عام من اكتشاف أينشتاين الطبيعة المزدوجة للضوء، التقط فريق من الفيزيائيين السويسريين في كلية العلوم التطبيقية في لوزان أول صورة لهذا السلوك المزدوج، إذ أجرى الفريق بقيادة فابريزيو كاربون سنة 2015 تجربةً باستخدام ليزر يصدر ضوءًا في أسلاك نانوية صغيرة جدًا، ما يسبب اهتزاز الإلكترونات فيها، فينتقل الضوء على امتداد السلك في اتجاهين متعاكسين، وعنما تلتقي الأمواج المتعاكسة تتشكل موجة جديدة تبدو مستقرةً في مكانها. تصبح الموجة الدائمة مصدر الضوء في التجربة، وتنتشر حول الأسلاك النانوية، ولتصوير موجة الضوء الدائمة، يُطلق شعاع جديد من الإلكترونات، ما يثبت الطبيعة الموجية للضوء.
كيف يبدو الفوتون؟
هل تساءلت يومًا كيف يبدو الفوتون؟ حاول العلماء الإجابة عن هذا السؤال طويلًا، حتى أنشا فريق من الفيزيائيين البولنديين أول صورة ثلاثية الأبعاد لفوتون سنة 2016، إذ صنع الفريق الصورة بإطلاق شعاعين ضوئيين على مكبر شعاعي مصنوع من بلورات الكالسيت، يشبه المكبر إشارة المرور، بحيث يستطيع كل فوتون أن يمر دون أن ينعطف، وعندما يكون الفوتون بمفرده، يمكن توقع كل مساراته المحتملة، وإذا ازداد عدد الفوتونات، تتفاعل وتتغير مساراتها، وبإمكاننا معرفة شكل الومضات التي ستظهر على الكاشف بمعرفة الدالة الموجية لأحد الفوتونات. تبدو الصورة الملتقطة مثل الصليب المالطي، وتشبه تمامًا دالة الموجة المتوقعة من معادلة شرودنغر.
حقائق حول الفوتونات:
- لا يتكون الضوء من فوتونات فقط، بل من أشكال أخرى للطاقة الكهرومغناطيسية، كالأمواج الميكروية والأشعة السينية.
- طور أينشتاين مفهوم الفوتون، وكان أول من استخدم كلمة فوتون العالم جيلبرت لويس.
- النظرية التي تصف سلوك الفوتون بوصفه جسيمًا وموجة تُسمى ازدواجية موجة/ جسيم.
- الفوتونات متعادلة كهربيًا.
- لا تتحلل الفوتونات تلقائيًا.
اقرأ أيضًا:
عدد فوتونات الضوء التي أنتجتها كل النجوم في الكون
ترجمة: بلال الابراهيم
تدقيق: أكرم محيي الدين
مراجعة: تسنيم المنجد
