تعد الفوتونات أحد أهم الجسيمات التي اكتشفها العلماء في مجال الفيزياء.
في هذا المقال سنتعرف على كل المعلومات المتعلقة بالفوتونات، بدءا من كيفية اكتشافها والعلماء الذين اكتشفوها وتاريخ اكتشافها وخصائصها الفيزيائية والسبب وراء تسميتها بهذا الاسم.
معلومات عن الفوتون في الفيزياء وتعريفه
- الفوتون هو جسيم أولي للطاقة الكهرومغناطيسية، ويعمل على نقل القوة الكهرومغناطيسية.
- يسهل على الباحثين ملاحظة تأثير الفوتون في المستوى المجهري والمستوى الماكروسكوبي.
- وذلك بسبب أن الفوتون ليس لديه كتلة ساكنة تؤثر عليه في التفاعلات على مسافات بعيدة، هو مثل أي جسيم أولي.
- يتميز الفوتون بخاصية الازدواجية، حيث يجمع بين الموجة والجسيم.
- كما يمكن للجسيم الفردي أن ينحني ويتداخل تحت العدسات.
- بالإضافة إلى قدرتها على تقديم نتيجة محددة عند تحديد موقفها.
اقرأ أيضًا: بحث عن قانون الإزاحة
علم الفوتون في الفيزياء
- اتفق ابن الهيثم وإسحاق نيوتن أن الضوء يتكون من جسيمات صغيرة جدا، وتفقد هذه الجسيمات كل المؤهلات الحسية إلا الطاقة.
- مع دخول القرن التاسع عشر، تمكن كل من توماس يونغ وفرسنل أوغست من تفسير ظاهرة انكسار وتداخل الضوء.
- في هذا السياق، ظهرت فكرة الموجة، وفي عام توقع جيمس كلارك أن الضوء هو موجة كهرومغناطيسية.
- تم اكتشاف الفوتون في عام ١٩٩٠ عندما وصف ماكس بلانك الضوء بأنه تيار من جسيمات يسمى الكمان.
- وكل شيء مكون من طاقة والطاقة لا يمكن تجزئتها.
- لاحظ أنتون لينارد في عام ١٩٠٢ أن كمية الطاقة المنبعثة من الإلكترونات تعتمد فقط على لون الضوء.
- وهكذا اكتشف العالم ألبرت أينشتاين في عام ١٩٠٥ أن طاقة الفوتون تعتمد على طوله الموجي، حيث إن طاقة الفوتون في الضوء البنفسجي أعلى من تلك في الضوء الأحمر.
- وذلك لأن الطول الموجي للون البنفسجي أعلى من الطول الموجي للون الأحمر.
- وبالإضافة إلى ذلك، اكتشف العالم آرثر كومبتون في عام ١٩٢٢ أن الفوتونات ليست سوى جسيمات.
- عند اصطدام فوتونات الأشعة السينية مع الإلكترونات، ينفصلان ويبتعدان، وتنتقل بعض طاقة الفوتونات إلى الإلكترون.
- يتحرك الفوتون في الفراغ بسرعة تبلغ 299792458 متر/ثانية، وتظل سرعته ثابتة، ولا تتغير السرعة إلا عندما يدخل وسطا آخر.
- يتم تكوين الفوتون في الغلاف الإلكتروني للذرة عندما تتعرض الذرة للحرارة.
- عندما يحصل أحد الإلكترونات على طاقة، ينتقل إلى مستوى طاقة أعلى، مما يترك وراءه فارقا في الطاقة على شكل فوتون بتردد وطول موجة محددين.
- الفوتونات هي أشعة كهرومغناطيسية، وبعضها يمكن رؤيته وتصنف كأشعة مرئية، بينما البعض الآخر لا يمكن رؤيته ويصنف كأشعة سينية.
- نظرا لسرعة انتشارها العالية جدا، تتميز هذه الأشعة السينية بالظهور عندما يقفز الإلكترون من مستوى طاقته إلى مكان فارغ بالقرب من النواة.
- هناك عدد من الفوتونات التي تتميز بطاقة عالية للغاية حيث تصل قيمتها إلى عدة ملايين إلكترون مثل الأشعة الغاما، وتنشأ في نواة الذرة.
تسمية الفوتون في الفيزياء
- عندما استوعب ماكس بلانك في عام ١٩٠٠ أن الطاقة في الموجات الكهرومغناطيسية تتحرك في حزم صغيرة، أطلق عليها اسم كموم جمع كلمة كم.
- أيضا اكتشف ألبرت أينشتاين في عام ١٩٠٥ أن الطاقة في الأمواج الكهرومغناطيسية تتحرك على شكل حزم من الطاقة، وسميت هذه الظاهرة بمفهوم الضوء الكمي.
- أما مصطلح الفوتون، فقد ظهر عندما قام غيلبرت لويس في عام ١٩٢٦ بنشر نظرية مفادها أن الفوتونات لا تخلق ولا تزول.
- على الرغم من أن هذه النظرية لم تحظ بقبول عديد من الفيزيائيين، إلا أن اسم الفوتون استخدم مباشرة بعد نشر النظرية.
- عادة ما يرمز الفوتون بالرمز Y، وذلك تيمنا بأشعة غاما التي اكتشفها العالم باول فيلارد عام ١٩٩٩.
الخصائص الفيزيائية للفوتون
- الفوتون ليس له شحنة كهربائية وعلى الرغم من ذلك فهو مستقر.
- كما أن الفوتون لا يمتلك كتلة وعلى الرغم من ذلك فهو جسيم متحرك.
- وبالمثل، لا يتلاشى الفوتون في الفضاء الفارغ.
- الفوتون هو البوزون الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية.
- تعتبر كل الأعداد الكمية للفوتون هي صفر.
- يمكن تدميرها أو إنشاؤها باستخدام عدد من العمليات الطبيعية، سواء عن طريق امتصاص الضوء أو انبعاثه.
- كما يمكن أن تتفاعل مع جسيمات أخرى مختلفة مثل الإلكترونات.
- ظهور الفوتونات لأول مرة قبل 15 مليار سنة أثناء حدوث الانفجار العظيم.
- والفوتونات ليست موجودة فقط في ضوء الشمس، بل توجد أيضا في أشعة أخرى، ومنها التالية:
- الأشعة السينية والأشعة فوق البنفسجية وموجات الراديو وبث التلفزيون.
- كذلك الأشعة الصادرة عن أفران المايكروويف.
قد يهمك: بحث عن قانون كيرشوف في الفيزياء
وظائف الفوتونات
- تعتبر الوظائف الأساسية للفوتونات نقل الأشعة الضوئية وتحويل الضوء للعين لتمكين عملية الرؤية.
- تستخدم في الأجهزة الطبية.
- تشمل أمواج البث الإذاعي والتلفزيوني بث القنوات.
- يتم استخدام الفوتونات في أجهزة التفتيش المستخدمة في المطارات وأجهزة الأمن وتفتيش الحقائب.
- أشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء.
- توجد في جميع أجهزة التحكم عن بعد مثل جهاز التحكم في التلفزيون.
- والأدوات المستخدمة في التحكم في الأجهزة.
أهم مميزات الفوتونات
- ومن أهم مميزات تلك الفوتونات أنها متواجدة في العديد من المواقع حولنا في جميع أنحاء العالم.
- لا يمكن لهذه الأجسام أن تتصادم ببعضها، حيث أنه إذا تصادمت لم نكن سنرى الأضواء ولن نتمكن من إنشاء محطات فضائية.
- العلاقة بين طاقة وزخم حركة الفوتون تكون عبارة عن `E = pc`، حيث `E` هي الطاقة و `p` هي مقدار زخم الحركة و `c` هي سرعة الضوء.
- كما يمتلك الفوتون دورانا دوارا غير مرتبط بتردده.
- من المعروف حاليا أن الفوتون ليس له كتلة سكونية ، ولكن إذا كان الفوتون لا يمتلك كتلة ، فلا يمكنه التحرك بسرعة `سي` في الفراغ.
- بل يجب أن تكون سرعته أقل وتعتمد على تردده.
- ومع ذلك، فمن الواضح والمعروف عن “c” أنها ليست سرعة تحرك الضوء، بل هي ثابتة بطبيعتها وتمثل الحد الأقصى للسرعة التي يمكن لأي جسم أن يتحرك بها نظريا.
- مازالت سرعة الأمواج في الجاذبية والجاذبية، ولكنها ليست سرعة الفوتونات.
- أظهرت التجارب التي أجراها كومبتون أن حفظ الطاقة وزخم الحركة يتم بشكل ممتاز في العمليات الأولية.
- وأن هزة الإلكترون وإنتاج الفوتون الجديد يتم تحقيقهما في غضون 10 بيكو ثانية، وذلك بعد أن قام بور وزملاؤه بإضافة نهاية مشرفة لنموذجهم.
- ومع ذلك، فشلت نظرية بوهر-كرامرز-سلاتر الفيزيائية لفيرنر هايزنبيرغ في التطور لتصبح ميكانيكا المصفوفات.
- حاول العديد من الفيزيائيين تطوير النماذج شبه التقليدية، التي تصف الإشعاع الكهرومغناطيسي على أنه غير مقيد.
- وفيها تخضع المادة لقوانين ميكانيكا الكم.
- بالرغم من وجود أدلة قوية على وجود الفوتونات من خلال التجارب الفيزيائية والكيميائية، إلا أنه لن تعتبر نتيجة مطلقة.
- بسبب اعتمادها على التفاعل بين الضوء والمادة، وعلى الرغم من ذلك، قامت بتدحرج كل النظريات النصف تقليدية المعقدة للمادة في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين.
- بعد التجارب المتعلقة بالفوتون، تم نشر نظرية أينشتاين التي تقول أن الضوء له خاصية التكميم وتم إثباتها.
شاهد أيضًا: موضوع تعبير عن علماء الفيزياء كامل
وهكذا، قد قدمنا جميع المعلومات المتعلقة بالفوتون في مجال الفيزياء، بدءا من كيفية اكتشافه والعلماء الذين اكتشفوه وتاريخ اكتشافه.
نرجو منكم نشر هذا المقال في جميع وسائل التواصل الاجتماعي لتعم الفائدة للجميع. أتمنى أن تكونوا بخير.
