فوتون

277x277px
فوتون در فیزیک، یک ذره بنیادی است که به‌عنوان واحد کوانتومی نور یا هر نوع تابش الکترومغناطیسی محسوب می‌شود. فوتون نماینده حامل‌های نیرو برای نیروی الکترومغناطیسی است که اثر این نیرو به راحتی هم در سطح ماکروسکپی و هم در سطح میکروسکپی قابل مشاهده است. مانند بقیه ذرات بنیادی بهترین تعریف از فوتون توسط مکانیک کوانتومی ارائه می‌شود؛ که نشان‌دهنده ویژگی دوگانگی ذره و موج است. فوتون دارای اسپین یک است، یعنی از لحاظ ذره‌ای بوزون به حساب می‌آید.
تعریف مدرن ازخصوصیات فوتون اولین بار توسط البرت انیشتین ارائه شد که علت آن توضیح مشاهدات تجربی بود که ان زمان با فیزیک کلاسیک که نور را فقط موج می‌دانست قابل توضیح نبود. از طرفی در توضیح پدیده جسم سیاه توسط ماکس پلانک او مدلی نیمه کلاسیکی ارائه کرد که در آن با اینکه نور به عنوان موج توسط روابط ماکسول تعریف می‌شد ولی برای مقدار انرژی مقدارهای کوانتیده‌ای در نظر گرفته‌می‌شد که این مقدارها برابر کوانتوم‌های انرژی فوتون‌ها بودند که خود این مدل نیمه کلاسیک بعدا پایه‌های اولیه مکانیک کوانتومی را بنا نهاد.
بر اساس اصل دوبروی در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه‌است. به عنوان مثال، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم را که با سرعت معمولی در حال حرکت باشد در نظر بگیریم؛ طول موج منتسب به این ذره چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست، اما در مورد ذراتی مانند الکترون این طول موج قابل توجه‌است؛ بنابراین با استفاده از این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.
واقعیت کوانتوم‌های نور
252x252px
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. انیشتین 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 انرژیی 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 می‌باشد. 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
فتون ذره‌ای بدون بار و بدون جرم و پایدار می‌باشد که دارای دو نوع پولاریزه ممکن با سه پارامتر پیوسته‌است 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 می‌باشد.
فوتون تقریبا از هر فرایند طبیعی ساطع می‌شود، مانند زمانی که باری شتاب بگیرد یا مولوکول یا اتمی به ترازی پایین‌تر سقوط کند.
در فضای خلا 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 می‌باشد. 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/=h 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،  و بترتیب نمایانگر طول موج و بسامد یا فرکانس و c سرعت نور در خلاء است.
فوتون همچنین دارای تکانه زوایه‌ای اسپینی نیز می‌باشد که به فرکانس نور وابسته نیست و کلا برای گروهی از ذرات بنیادی که اصطلاحا بوزون نام دارند مقداری معادل h/2 دارد که با نماد ħ معروف به اچ بار یا اچ خط نشان داده می‌شود، ضمنا برای هر اسپین دو راستای مختلف وجود دارد که با علامت‌های منفی یا مثبت قبل از مقدار اسپین مشخص می‌شود.
تائیدی دیگر بر وجود فوتون
نمایی از چگونگی انجام آزمایش 311x311px
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 تقریبا 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 کاملا 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 خلا منتشر می‌شوند.
برای هر فوتون اندازه حرکتی (momintum) معادل p = h/ معرفی شده که در آن h ثابت پلانک و  طول موج فوتون است. در نظریه نسبیت فوتون جرم موثر گرانشی دارد و در میدان گرانشی تحت تاثیر 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/c 2 = h/c 2 = h/c