فوتون
الفوتون أو ضويء في الفيزياء، هو جسيم أولي، والكم للضوء وجميع الأشكال الأخرى للإشعاع الكهرومغناطيسي، والحامل للقوة الكهرومغناطيسية. تسهل ملاحظة تأثيرات هذة القوة في كلا المستويين الميكروسكوبي والماكروسكوبي، بسبب انعدام الكتلة الساكنة للفوتون الذي يسمح بالتآثر والتفاعل في المسافات الطويلة. كما هو حال كل الجسيمات الأولية، تقدم ميكانيكا الكم حالياً أفضل تفسير للفوتونات، وللفوتونات خاصية ازدواجية الموجة والجسيم، مظهرة خصائص كلا من الموجات والجسيمات حيث يمكن للفوتون الواحد الانكسار بواسطة العدسات والتداخل، ومن الممكن تصرفه كجسيم معطياً نتيجة محددة عند قياس وتحديد موضعه، ويختص بكونه معدوم كتلة السكون، ومعدوم الشحنة الكهربائية، بالإضافة لكونه يتنقل في الفراغ بسرعة الضوء.
طور ألبرت أينشتاين تدريجياً المفهوم الحديث للفوتون لتفسير الملاحظات التجريبية غير المطابقة لنموذج موجة الضوء التقليدي، حيث علل نموذج الفوتون على وجه الخصوص اعتماد طاقة الضوء على تردده، وفسر قابلية المادة والإشعاع ليكونا في حالة توازن حراري. كما علل النموذج الحديث للفوتون الملاحظات الشاذة لخصائص إشعاع الجسم الأسود، التي سعى العديد من الفيزيائيين وعلى الأخص ماكس بلانك، إلى تفسيرها باستخدام نماذج شبه تقليدية، تصف الضوء بمعادلات ماكسويل وتكمم الأجسام المادية المشعة والماصة للضوء. بالرغم من مساهمة هذه النماذج الشبه تقليدية في تطوير ميكانيكا الكم، فإن التجارب اللاحقة تحققت من صحة فرضية أينشتاين بأن الضوء هو نفسه مكمم وأن الفوتونات هي كم الضوء.
في النموذج العياري لفيزياء الجسيمات، وصفت الفوتونات كنتيجة ضرورية للتماثل التام لقوانين الفيزياء في كل نقطة من الزمكان. خصائص التناظر القياسي هذا تحدد الخصائص الجوهرية للفوتونات كالشحنة والكتلة واللف المغزلي. وقد أدى نموذج الفوتون إلى تقدم هائل في مجال الفيزياء النظرية والتجريبية، كالليزر، وتكاثف بوز وأينشتاين، ونظرية الحقل الكمومي، ومطال الاحتمال لميكانيكا الكم، وقد تم تطبيقه على الكيمياء الضوئية، والمجاهر عالية الوضوح، وقياسات المسافات الجزيئية. حديثاً تم دراسة الفوتونات بوصفها عناصر من أجهزة الحاسوب الكمومي والتطبيقات المتطورة في الاتصالات البصرية مثل التشفير الكمومي.
يختزن الفوتون كمًا محددًا من الطاقة حسب المعادلة:
حيث formula_2 هو ثابت بلانك، وformula_3 سرعة الضوء، وformula_4 طول الموجة.
كانت أغلب النظريات حتى القرن الثامن عشر تصف الضوء على أنه ناشئ عن جسيمات. أحد هذه النظريات المبكرة كانت قد وصفت في "كتاب البصريات" (1021) لابن الهيثم، الذي اعتبر أن أشعة الضوء عبارة عن تيارات من جسيمات صغيرة جداً والتي تفتقر لكل المؤهلات الحسية عدا الطاقة. كان هذا رأي إسحاق نيوتن أيضا في طبيعة الضوء. لما كانت نماذج الجسيم غير قادرة على تفسير الانكسار والحيود والانكسار المزدوج للضوء، فقد اقتراح نظريات الموجة للضوء رينيه ديكارت (1637)، روبرت هوك (1665)، وكريستيان هايغنز (1678);، بالرغم من ذلك، ظلت نماذج الجسيم هي الغالبة، بشكل رئيسي لتأثير إسحاق نيوتن. في أوائل القرن التاسع عشر، شرح كل من توماس يونغ وفرسنل أوغست بوضوح عملية تداخل وانكسار الضوء ومع العام 1850 تم قبول نماذج الموجة عموما. في 1865، تنبؤات جيمس كلرك ماكسويل بأن الضوء عبارة عن موجة كهرمغناطيسية والذي تأكد تقريبا في 1888 بواسطة تحسس موجات الراديو من قبل هنريك هيرتز'—بدا أنها آخر صيحة لنماذج الضوء الجسيمية.
إن نظرية الموجة لماكسويل، مع ذلك، لا تحسب حسابا لجميع خصائص الضوء. تتنبأ نظرية ماكسويل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على شدتها، ليس على ترددها، على الرغم من أن أنواع عديدة من التجارب المستقلة تظهر أن الطاقة الممنوحة بالضوء للذرات تعتمد على تردد الضوء فقط وليس شدته. على سبيل المثال، بعض التفاعلات الكيميائية يتم إثارتها فقط عن طريق ضوء بتردد أعلى من حد معين. إذا كان هذا الضوء ذا تردد أقل فمهما بلغت شدته لا يحفز التفاعل. بالمثل، بالإمكان نزع الكترونات من صفيحة معدنية بتسليط ضوء ذي تردد عالي بقدر كاف عليها (تأثير كهروضوئي)؛ تتعلق طاقة الالكترونات المنتزعة بتردد الضوء فقط، وليس الشدة..
يمكن تلخيص أبرز الاحداث التاريخية في اكتشاف الفوتون كما يلي:
يتحرك الفوتون في الفراغ بسرعة الضوء 299792458 متر/ثانية وسرعته ثابته لا تتغير إلا إذا دخل وسطا آخر مثل الزجاج.
وبصفته كمية طاقة تعتمد طاقته formula_5 على ثابت بلانك formula_2 وتعطى بالعلاقة :
حيث:
formula_8 تردد موجة الفوتون
ونعطي هنا مثالا عدديا لفوتون معهود من الفوتونات الضوئية:
حيث:
" formula_5 " طاقة الفوتون بالإلكترون فولت eV
formula_12 : التردد الزاوي (1/ثانية).
فإذا كان التردد الزاوي : (في الثانية) ω = 1,520 · 10
تكون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وهذه طاقة شعاع ضوء في منطقة طيف الأشعة تحت الحمراء.
كما يمكن حساب طاقة الفوتون بمعرفة طول موجته، من المعادلة:
حيث:
λ طول موجة الفوتون بالميكرومتر
فإذا كانت طول موجة الفوتون تساوي= 1,240 ميكرومتر فهي تساوي 1240 نانومتر
وتكون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وللمقارنة فإن شعاع ضوء ذو طول موجة 620 نانومتر يكون لونه برتقالي، وبالتالى تكون طاقته = 2 إلكترون فولت.
والفوتون يتحرك باستمرار بسرعة الضوء ولا يوجد في حالة سكون، لذلك فله كمية حركة formula_14 وهي تعطى بالعلاقة التالية الناتجة عن ميكانيكا الكم :
ينشأ الفوتون الضوئي في الغلاف الذري الإلكتروني عندما تتأثر الذرة بفعل الحرارة مثلا ويصبح أحد الإلكترونات في مستوي طاقة للذرة عال، ولا يستطيع الإلكترون البقاء في ذلك المستوي فسرعان ما يقفز إلى مستوي طاقة سفلي ويطلق فارق الطاقة في هيئة فوتون (شعاع ضوء) له تردد محدد أو ذي طول موجة محددة.
فذرة الصوديوم على سبيل المثال تطلق عند الإثارة شعاعي ضوء تبلغ طول موجتهما 589 نانومتر و 590 نانومتر. ويقع هذان الشعاعان في منطقة اللون الأصفر للطيف، هذان الشعاعان هما فوتونان.
وطيف الزئبق يصدر خطين من الفوتونات طول موجتيهما 579 و 577 نانومتر يقعان في منطقة الضوء الأصفر وخط ثالث ذو طول موجة 546 نانومتر وهذا يقع في منطقة الضوء الأخضر.
وكل من هذه الفوتونات ينشأ عندما يقفز أحد الإلكترونات من مستوى للطاقة عال إلى مستوي منخفض. وتصل طاقة هذه الفوتونات بين 0.5 و 0.6 إلكترون فولت (أي أقل من 1 إلكترون فولت).
وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن أشعة كهرومغناطيسية، بعضها يمكن رؤيته وينتمي إلى أشعة الضوء المرئي، والبعض الآخر يمكن أن يظهر في هيئة شعاع من الأشعة السينية ذات الطاقة العالية وبالتالي فلها درجة نفاذ عالية. وتنشأ الأشعة السينية عندما يقفز إلكترون من مستوى عال في الذرة إلى مكان شاغر في الذرة بالقرب من النواة. فيكون فرق طاقتي المستويين بالغا ويصل إلى عدة مئات إلكترون فولت.
وهناك نوع من الفوتونات ذو طاقة عالية جدا تبلغ عدة ملايين إلكترون فولت مثل أشعة غاما. هذه الفوتونات لا تنشأ في الغلاف الذري للعناصر، وإنما تصدر من نواة الذرة.
في عام 1900م كان ماكس بلانك يعمل على مسألة إشعاع الجسم الأسود، وتوصل إلى أن الطاقة في الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن تنتشر إلا على شكل "حزم صغيرة" من الطاقة، أطلق عليها "الكموم" (جمع كم). لاحقا وفي عام 1905م ذهب ألبرت آينشتاين إلى أبعد من ذلك حين قال أن الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن توجد إلا على شكل حزم طاقة. وقد أطلق عليها اسماً مشابهاً وهو "كموم الضوء". أما كلمة "فوتون" فقد اشتقت من الكلمة الإغريقية "φως" (فوس) والتي تعني "ضوء". وقد كان من ابتكر الكلمة هو الفيزيائي غلبرت لويس في عام 1926، والذي نشر نظرية تخمينية – غير تجريبية – حول أن "الفوتونات لا تستحدث ولا تفنى". وبالرغم من أن نظرية لويس لم تلاق قبولاً لتعارضها مع العديد من التجارب العلمية، إلى أن معظم الفيزيائيين استخدموا "فوتونه" الجديد مباشرة بعد طرح النظرية. حسب إسحاق أسيموف، آرثر كومبتون هو من عرّف "كموم الطاقة" بأنها "فوتونات" في عام 1923..
وعادة ما يُشار في الفيزياء إلى الفوتون برمز "γ" (الحرف الإغريقي "غاما"). وربما استخدم هذا الرمز تيمّناً بأشعة غاما (والتي اكتشفها وأسماها الفيزيائي "باول فيلارد" في عام 1990) لأنه تبيّن أنها من الأمواج الكهرومغناطيسية في عام 1914. في الكيمياء والهندسة البصرية يُرمز للفوتونات عادة بالرمز "hν"، حيث أن "h" هو ثابت بلانك و"ν" هو حرف إغريقي يدل على تردد الموجات. ويوجد رمز أقل شيوعاً هو "hf" حيث "f" اختصار للكلمة الإنجليزية "frequency" والتي تعني تردد.
الفوتون عديم الكتلة (انظر أدناه) والشحنة الكهربائية ولا يضمحل في الفضاء الخالي. الفوتون هو البوزون الحامل للقوة الكهرومغناطيسية، ونظريا كل الأعداد الكمية الأخرى للفوتون (مثل عدد الباريون والأعداد الكمية للنكهة) هي صفر.
العلاقة بين طاقة وزخم حركة الفوتون هي "E = pc"، حيث أن "E" هي الطاقة و"p" هي مقدار متجه زخم الحركة و"c" هي سرعة الضوء. طاقة وزخم حركة الفوتون يعتمدان فقط إما على تردده (ν) أو بشكل مساو على طوله الموجي (λ):
حيث أن "K" هو "متجه الموجة" و"ω" هو التردد الزاوي و"ħ" هو ثابت بلانك.
وأيضا يملك الفوتون دورانا مغزليا لا يعتمد على تردده. ومقدار دورانه هو formula_17
يُعتقد حالياً أن الفوتون عديم الكتلة السكونية تماما (كتلته السكونية ليست قليلة جدا بل هي لا شيء). لكن المشكلة هي أنه إذا كان الفوتون عديم الكتلة فلا يُمكن أن يتحرك بسرعة "c" في الفراغ، بل يجب أن تكون سرعته أقل وأن تعتمد على تردده. لكن في الواقع التعبير الشائع عن "c" بأنها سرعة تحرك الضوء هو خطأ، بل هي ثابت طبيعي يُمثل الحد الأقصى للسرعة التي يُمكن لأي جسم التحرك بها نظريا في الزمكان. وهكذا فهي ما زالت سرعة الأمواج في الزمكان (أمواج الجاذبية والجاذبية)، لكنها ليست سرعة الفوتونات.
تم التحقق من تنبؤات أينشتاين عام 1905 تجريبياً بطرق عدة خلال العقدين الأولين من القرن العشرين. قبل تجربة كومبتون (تأثير كومبتون) التي أثبتت أن الفوتونات حملت زخم حركة متناسب مع رقم الموجة (التردد) كان معظم الفيزيائيين مترددين في الاعتقاد بأن الإشعاع الكهرومغناطيسي قد يكون جسيمي، بدلاً من ذلك كان هناك اعتقاد منتشر بأن تكميم الطاقة ينتج عن بعض القيود الغير معروفة للمادة الماصة والباعثة للإشعاع. تغيرت الآراء بمرور الوقت ويعود التغير بشكل جزئي إلى تجارب مثل تأثير كومبتون، حيث كان من الصعوبة بشدة ألا يعزى التكميم إلى الضوء نفسه لتفسير النتائج الملاحظة.
حتى بعد تأثير كومبتون، قام كل من نيلس بور وهندريك أنتوني كرامرز، وجون كلارك سلاتر بمحاولة أخيرة للحفاظ على نموذج ماكسويل للحقل الكهرومغناطيسي المستمر للضوء والتي أطلق عليها اسم نظرية BKS نسبة إلى (بوهر-كرامرز-سلاتر) . لإدخال البيانات التي كانت متوفرة وقتها في الحساب، كان لابد من وضع فرضيتين جذريتين:ومع ذلك، أظهرت تجارب كومبتون المدققة بأن حفظ الطاقة وزخم الحركة يتم بشكل جيد جداً في العمليات الابتدائية، وأن اهتزاز الالكترون وتوليد فوتون جديد في تأثير كومبتون يخضع للسبيبة خلال 10 بيكو ثانية. وفقا لذلك أعطى بور وزملاؤه نهاية مشرفة لنموذجهم قدر المستطاع. ومع ذلك ألهم فشل نموذج نظرية بوهر-كرامرز-سلاتر الفيزيائي فيرنر هايزنبيرغ في تطويره لميكانيكا المصفوفات.
استمر القليل من الفيزيائيين في تطوير النماذج النصف تقليدية والتي تصف الإشعاع الكهرومغناطيسي بأنه غير مكمم وتخضع فيها المادة لقوانين ميكانيكا الكم. بالرغم من أن الأدلة على وجود الفوتونات من التجارب الفيزيائية والكيميائية كانت ساحقة، فإنها لن تؤخذ نتيجة مطلقة، نظراً لاعتمادها على التفاعل بين الضوء والمادة. ومع ذاك دحضت تماما كل النظريات النصف تقليدية المعقدة للمادة في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين بالتجارب المرتبطة بالفوتون. ومنذ ذلك الحين تم الأخذ بعين الاعتبار نظرية أينشتاين بأن التكميم خاصية للضوء نفسه ليتم إثباتها.