فوتون

Photon - Photon

الفوتون

 

الفوتون photon أصغر قَدْر من الطاقة يمكن تبادله بين موجة كهرمغنطيسية وبين المادة. فالطاقة المتبادلة W في تجربة ما بين موجة كهرمغنطيسسية والمادة تساوي دوماً عدداً صحيحاً من الفوتونات. تعتمد طاقة كل منها على تواتر الموجة الكهرمغنطيسية ν وتتناسب معها طرداً. إن ثابت التناسب هو ثابت بلانك Planck، ورمزه h، وقيمته العددية هيh=6.6×10^-34 J.s. وعليه يكون: W = hν. ويعطي الجدول (1) طاقات الفوتونات مقدرة بالإلكترون فولط eV من أمواج كهرمغنطيسية متنوعة.

كما يظهر في الشكل (1) طيف الأمواج الكهرمغنطيسية الكامل وأين نجدها بشكل رمزي.

	الطاقة W = hv طول الموجة l = c/v التواتر v نوع الموجة n4x10-7 eV n3m n108 Hzn موجة إذاعية n4x10-5 eV n3cm n1010 Hzn موجة رادار n0.4 eV n3 mn n1014 Hz أشعة تحت حمراء n2 eV n6.6m n5x1014 Hz ضوء مرئي n4 eV n3000 A° n1015 Hz أشعة فوق بنفسجية n4000 eV n3 A° n1018 Hz أشعة سينية n4x106 eV n0.003 A° n1021 Hz أشعة غاما
	الجدول (1)
	الشكل (1) طيف الأمواج الكهرمغنطيسية وطرائق توليدها

يمكن كذلك النظر إلى الفوتونات على أنها جسيمات حقيقية «أي حبيبات ضوئية» تمتلك طاقة hν واندفاعاً واندفاعاً زاوياً. وفي الحقيقة فإن النظريات التقليدية تعزو إلى قطار أمـواج يحمل طاقـة Wاندفاعاً pيعطي بالعلاقـة: p = W/c. وإذا كـانت الموجـة مستقطبة استقطاباً دائرياً فإنه يُعزى لها عندئذ عزم اندفاع زاوي σ = W/ω (حيث ترمز c إلى سرعة الضوء في الخلاء، وω = 2 πνإلى السرعة الزاوية للحقل الدوّار أو نبضه الزاوي). وإذا استخدمت هذه العلاقة مع علاقة الطاقة W = hν يكون الاندفاع مساوياً:

ويكون الاندفاع الزاوي للفوتون

يعود الفضل إلى العالم الفرنسي لوي دوبروي[ر] Louis de Brolie في طرح القانون الأول الخاص بالاندفاع الذي شكَّل أساس الميكانيك الموجي mécanique ondulatoire، أما القانون الثاني والخاص بالاندفاع الزاوي فيحدِّد الواحدة الأساسية الطبيعية للاندفاع الزاوي في ميكانيك الكم[ر].

لقد نشأت الحاجة إلى مفهوم الفوتون تاريخياً من دراسة الإشعاع الحراري لجسم يتم تسخينه حتى درجة الاحمرار. فمن الملاحظ أن لون سلك يمرر فيه تيار كهربائي يتغير من اللون الأحمر القاتم إلى البني فالبرتقالي.. ثم يغدو بلون أبيض بارتفاع درجة حرارة السلك، ويستفاد من خاصة تغير لون السلك هذه بتغير درجة الحرارة لقياس درجات حرارة الأفران الصناعية.

إن دارسة هذا الأمر دراسة مستفيضة قادت إلى التمييز بين تواترات الأمواج ν التي يتشكل منها الإشعاع الصادر عن المنبع الحار. ولما فُصِلت الأمواج باستخدام مرشِّحات مناسبة أو باستخدام مطياف، وقيست استطاعة الإشعاعات الصادرة (P) عن المنبع الحار بين (ν) و(ν+Δν) وجد أن هذه الاستطاعة متناسبة مع (Δν) أي أن:

P_ν. Δν @ بين ν وP= (ν +Δν)

تسمى P_ν الاستطاعة التفاضلية أو الاستطاعة الطيفية. ويمثل تغير هذه الاستطاعة بدلالة (ν) تقاسم الطاقة الإشعاعية على امتداد طيف الإشعاع بأكمله. وبمكاملة هذا التابع على جميع قيم (ν) يمكن الحصول على الاستطاعة الإشعاعية الكلية P_totale الصادرة عن الجسم الحار ويكون:

كما وجد أن كثافة الطاقة الكلية (U_totale) ترتبط بكثافة الطاقة الطيفية (u_ν) بعلاقة مماثلة أي:

	الشكل (2) تغير كثافة الطاقة الطيفية uν بدلالة ν لأفران بدرجات حرارة مختلفة

يبين الشكل (2) تغير u_ν بدلالة ν العائدة لعدة أفران حرارية درجات حرارتها الداخلية t مختلفة. ولتفسير هذا المنحني نظرياً وجد ماكـس بلانك[ر] Max Planck أنه لابد من افتراض أن تبادل الطاقة بين الإشعاع والمادة لا يتم بشكل مستمر، وإنما بشكل كمَّات أو فوتونات. وسمحت له فرضية الفوتون عام 1900 باكتشاف المعادلة التالية الممثلة لكثافة الإشعاع (u_ν) والتي تُعرف باسمه:

(حيث يرمز k إلى ثابت بولتزمان Boltamann المعروف في الترموديناميك وT إلى درجة حرارة الفرن المطلقة). لقد سمح التحقق من هذا القانون في العام التالي باستنتاج قيمة (h)، كما تم التحقق منه بعشرات التجارب المستقلة.

لقد استخدم آينشتاين[ر] مفهوم الفوتون عام 1905 لتفسير المفعول الكهرضوئي l’effet photo-electrique، الذي يحدث لدى تسليط شعاع ضوئي على سطح معدن. فقد توصل إلى أن طاقة الفوتون تنتقل إلى إلكترون وحيد فتزوِّده بطاقة (W_s) كافية لانتزاعه من سطح المعدن إضافة إلى أنها تكسبه طاقة حركية

 أي أن:

وتسمح هذه العلاقة باستنتاج سرعة مغادرة الإلكترون لسطح المادة، كما تسمح بإيجاد تواتر العتبة ν_s التي لو انخفض تواتر حزمة الضوء الوارد دونها انعدم حدوث المفعول الكهرضوئي مهما بلغت شدة ذلك المنبع أي أن شرط حدوثه هو أن يكون:

ν > ν_s= W_s/h

وقد أجرى مليكان R.A.Milikan تجارب عديدة تحقق بها من صحة هذا القانون.

تسمح الفوتونات كذلك بتفسير ظهور الخطوط الطيفية في طيف أنابيب انفراغ الغازات وفي القوس الكهربائي. وقد قدم بور[ر] Bohr قانوناً لذلك أعلن عنه عام 1913 يُعدُّ أساساً للبنية الكمومية للذرة. وهي البنية التي تقضي بأن تكون للذرة حالات طاقية محدَّدة w₁, w₂, w₃,. فعندما تعاني الذرة من تحوِّل من حالة طاقية (w₁) إلى حالة طاقية (w₂)فإن العملية يرافقها امتصاص أو إصدار لفوتون تواتره (ν) يعطى بالعلاقة:

ويبين الشكل (3) ذلك برسم رمزي يوضِّح ظروف امتصاص الفوتون absorption وإصداره emission.

الشكل (3) إصدار فوتون وامتصاصه ومستويات الطاقة في الذرة

كما قدّمت تجارب انتثار الأشعة السينية على المواد دليلاً إضافياً على وجود الفوتونات، وهو ما عرف باسم مفعول كومتون effet Compton، الذي قام بدراسته كومتون A.H.Compton عام 1923. فقد بيَّن كومتون أن فوتونات الأشعة السينية التي تصطدم تصادماً مرناً مع الإلكترونات الحرة في المادة تعاني من تغير في طول موجتها مقداره (Δν). ولتفسيره ما يحدث استخدم العلاقة p = h/λ واستنتج أن هذا التغير يعطى بالعلاقة:

(حيث ترمز m إلى كتلة الإلكترون، وθ إلى الزاوية بين اتجاه الفوتون الوارد على المادة والفوتون المنتثر عنها)، انظر الشكل (4).

	الشكل (4) مفعول كومتون وانتثار الأشعة السينية في المادة

لقد بيَّنت التجارب المشار إليها أعلاه الخصائص الجسيمية للأمواج الكهرمغنطيسية إلا أنها لا تلغي خصائصها الموجية التي توضِّحها تجارب التداخل والانعراج للفوتونات. إن تفسير ما يحدث، والذي يعتمد الوصف المحتمل للظاهرة المدروسة، والذي هو القاعدة المعتمدة في الفيزياء الكمومية، يوفِّق بين الوصفين ويعدّهما وصفين متتامين للأمواج الكهرمغنطيسية. بمعنى أن الأمواج الكهرمغنطيسية تصف انتشار الفوتون، وتمثل مربعات سعاتها المواضع التي يحتمل وجود الفوتونات فيها.

أحمد حصري

مراجع للاستزادة:

- University Physics 10th ed. (Sears, Zemansky, Young & Freedman, Addison - Wesly 2000).

- Elements of Physics 7th edition (Smith & Cooper, Mcraw - Hill Book Compny 1946).

---

- التصنيف : الكيمياء و الفيزياء - النوع : علوم - المجلد : المجلد الرابع عشر، طبعة 2006، دمشق - رقم الصفحة ضمن المجلد : 751 مشاركة :