فوتون

واقعیت کوانتوم‌های نور

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از پلانک، آلبرت اینشتین توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. اینشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک به کار برد. بر این اساس فوتون‌ها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترونهای اتم، انرژی خود را به آنها داده و خود از بین می‌رود. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.
بعد از برخورد، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی بسته به تعداد فوتون‌هایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

رفتار دوگانه نور

برای بررسی پدیده‌های مربوط به نور باید از دو روش موجی بودن و ذره‌ای بودن نور استفاده نمود. حقیقت این است که در برخی از پدیده‌ها نور رفتاری همچون یک ذره را دارد مانند اثر فوتوالکتریک؛ و در برخی از پدیده‌ها نور دارای رفتار موجی است. یعنی مانند یک موج عمل می‌کند. در آزمایش دو شکاف یانگ، طرح‌های تاریک و روشن به وجود آمده را نمی‌توان بر اساس نظریه ذره‌ای بودن نور توضیح داد. در این آزمایش می‌توان بیان کرد که نور هم چون یک موج به دو شکاف برخورد کرده و هر شکاف مانند یک منبع جدید نور موجی عمل می‌کند. تداخلهای سازنده و ویرانگر این دو منبع نور موجی، باعث تولید طرح‌های تاریک و روشن بر روی پرده نمایش می‌شود. در این آزمایش نور همچنان از بسته‌های کوچک انرژی فوتون تشکیل شده، اما طوری رفتار می‌کند که گویی یک موج است. اگر یک تک فوتون را به طرف دو شکاف یانگ شلیک نماییم، فقط یک نقطه نورانی بر روی پرده نمایش ظاهر می‌شود. حال اگر به شلیک فوتون‌های پی در پی ادامه دهیم، آنگاه طرح تاریک و روشن بر روی پرده نمایش ظاهر می‌شود. این آزمایش و نتیجه آن برای الکترون نیز صادق است. می‌توان گفت که رفتار جمعی (آماری) باریکه نور، به دو صورت ذره‌ای بودن و موجی بودن ظاهر می‌شود.
در آزمایش فوتوالکتریک رفتار ذره‌ای نور ظاهر می‌شود. در اینجا فوتون‌های همچون گلوله‌های پر انرژی به سطح فلز برخورد کرده، با انتقال انرژی به الکترونهای فلز آنها را تحریک کرده و یک جریان الکترونی پدیدار می‌شود.

ویژگی‌های فیزیکی فوتون

فوتون ذره‌ای بدون بار و بدون جرم و پایدار است که دارای دو نوع پولاریزه ممکن با سه پارامتر پیوسته‌ است که مولفه‌های بردار موج آن می‌باشند و طول موج و مسیر انتشار فوتون را مشخص می‌کنند فوتون از دیدگاه الکترو مغناطیسی بوزون محسوب می‌شود و بقیه اعداد کوانتومی آن مانند عدد لبتونی وباریونی ورنگ و.. صفر است.
فوتون تقریباً از هر فرایند طبیعی ساطع می‌شود، مانند زمانی که باری شتاب بگیرد یا مولوکول یا اتمی به ترازی پایین‌تر سقوط کند.
در فضای خلأ فوتون با سرعت c یا همان سرعت نور حرکت می‌کند و این سرعت می‌تواند در محیطهای گوناگون تغییر کند. سرعت نور در مایعات کمتر از خلاء و در جامدات نیز کمتر از مایعات است. تغییر سرعت نور پدیده شکست نور را باعث می‌شود. میزان شکست نور در هنگام عبور از محیطهای گوناگون به طول موج نور نیز بستگی دارد. در این وضعیت باید رفتار موجی نور را در نظر گرفت؛ و برای انرژی آن رابطه E=hc/λ=hν تعریف شده‌است که اولین بار توسط پلانگ ارایه شد که در آن h ثابت معروف به ثابت پلانک است که اولین باربطور تجربی توسط پلانگ محاسبه شد، λ وν بترتیب نمایانگر طول موج و بسامد یا فرکانس و c سرعت نور در خلاء است.

فوتون همچنین دارای تکانه زوایه‌ای اسپینی نیز است که به فرکانس نور وابسته نیست و کلاً برای گروهی از ذرات بنیادی که اصطلاحاً بوزون نام دارند مقداری معادل h/2π دارد که با نماد ħ معروف به اچ بار یا اچ خط نشان داده می‌شود، ضمناً برای هر اسپین دو راستای مختلف وجود دارد که با علامت‌های منفی یا مثبت قبل از مقدار اسپین مشخص می‌شود.

تأییدی دیگر بر وجود فوتون

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتون‌ها را به‌صورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط آرتور هالی کامپتون انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتون‌ها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریباً آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملاً تطابق داشت.

جرم فوتون

در نظریه ذره‌ای نور، نور از ذراتی بنام فوتون تشکیل شده که با سرعت ۲۹۹٬۷۹۲٬۴۵۸ متر بر ثانیه یا c در خلأ منتشر می‌شوند.

برای هر فوتون اندازه حرکتی (momentum) معادل p = h/λ معرفی شده که در آن h ثابت پلانک و λ طول موج فوتون است. در نظریه نسبیت فوتون جرم مؤثر گرانشی دارد و در میدان گرانشی تحت تأثیر قرار می‌گیرد و چون نمی‌توان چهارچوب مرجع سکون برای یک فوتون تعریف کرد پس برای فوتون نمی‌توان جرم سکون تعریف کرد، می‌توان برای فوتون جرم معادل با انرژی آن تعریف کرد که برابر است با: m = E/c² = hν/c² = h/λc