ما هي الفوتونات وكيف تنشأ وهل من الممكن فناءها؟

1 إجابة واحدة

الفوتونات، كلمة مشتقة من اللغة الإغريقية (phos, photos)، وتعني الضوء. وتسمى أيضًا حزم الكم الضوئي خفيف الطاقة من الإشعاعات الكهرومغناطيسية.

ويعود مفهوم الفوتونات لعام 1900 عندما فسر عالم الفيزياء الألماني ماكس بلانك (Max Planck) الإشعاع الحراري على أنه مجموعة من الوحدات المنفصلة. ثم جاء العالم الألماني ألبرت إينشتاين (Albert Einstein) عام 1905 مفسرًا تأثير الفعل الكهروضوئي (Photoelectric Effect) بإصدار حزم من الطاقة المنفضلة عن بعضها عند الانبعاث الضوئي.

إلا أن استخدام مفهوم الفوتون بشكله العام كان في عام 1923 عندما فسر العالم الأمريكي أرثر إتش كامبتون( Arthur H.Campton) الطبيعة الجسيمية للأشعة السينية، واستُخدم مصطلح الفوتون بشكله الرسمي عام 1926.

تتحرك الفوتونات بسرعة الضوء والبالغة 299,792,458 م/ثا، أي ما يقارب 300 ألف كم/ثا، أي يمكنها قطع المسافة بين الشمس والأرض في 8.3 دقائق فقط! ونظريًا لا يمكن لأي جسيم السفر بسرعة الضوء.

تعتمد طاقة الفوتونات على تواتر إشعاعها، فتتنوع من الإشعاعات ذات الطاقة العالية كالأشعة السينية وأشعة غاما المنطلقة من الذرات النشطة كاليورانيوم، إلى الضوء المرئي، وإلى الإشعاعات ذات الطاقة المنخفضة كالأشعة تحت الحمراء.

والسؤال الذي يجول في أذهاننا، هل للفوتون كتلة؟

يمتك الفوتون قوة دفع أو كمية حركة وطاقة ولكنه لا يمتلك كتلة، وقد يقول البعض أنه يملك كتلة لأن معادلة بلانك للطاقة:

E= hf

حيث h هو ثابت بلانك و f تواتر الإشعاع.

والطاقة تتناسب مع الكتلة وفقًا لمعادلة آينشتاين

E=mc^2

وبما أن للفوتون كمية حركة، وترتبط كمية الحركة بالكتلة وفق المعادلة:

P=mv

حيث أن v تمثل السرعة.

إلا أن ما يتكلمون عنه في الحقيقة هو مفهوم الكتلة النسبية القديم، وهو يَعتبر أن الكتلة ناتجة عن قياس الطاقة التي تتغير بتغير السرعة، وفي الفيزياء الحديثة اتُفق على أن كتلة الجسم ليس لها علاقة بالكتلة النسبية.

يمكنك القول أن للفوتون كتلة نسبية، لكن لا يمكنك القول بامتلاكه كتلة، لأن تعريف الكتلة ينص على ثبات مقدارها، وهو مساوٍ للصفر بالنسبة للفوتون.

تنشأ الفوتونات عندما ينتقل إلكترون من مدار ذي سوية طاقة عليا إلى مدار ذي سوية طاقة أدنى، وبهذا الانتقال يحرر الإلكترون حزمة من الطاقة ذات تردد معين تسمى الفوتون. ولربما مصابيح غاز النيون خير مثال على الانبعاث الضوئي الناتج عن الغاز نتيجة مرور التيار الكهربائي عبره.

وبما أن الفوتونات لا تمتلك كتلة وإنما طاقة وكمية حركة، لذا عندما يعطي الفوتون طاقته للإلكترون فيمكننا أن نقول باختفاء أو تلاشي الفوتونات.

وفي الحياة العملية يختفي الضوء لأن الفوتونات تعطي طاقتها للإلكترونات السطحية التي تصطدم بها، ويمكننا تلخيص دورة حياة الفوتون، بنشوئه عند انتقال الإلكترون من سوية طاقة أعلى إلى سوية طاقة أدنى محررًا حزمة طاقية تسمى الفوتون الذي ينطلق مغادرًا بسرعة الضوء ليصطدم بإلكترون آخر يمتص طاقته، ليتلاشى الفوتون وينتقل الإلكترون من سوية طاقة أدنى إلى سوية طاقة أعلى.

انتقال الإلكترون

ويمكن تطبيق المفهوم نفسه على عمل المستقبلات الضوئية في العين حيث تصطدم الفوتونات بها وتعطيها طاقتها وتتلاشى، فتُرسل تلك المستقبلات إشارات إلى الدماغ بصفات طاقة الفوتونات.

أكمل القراءة

هل لديك إجابة على "ما هي الفوتونات وكيف تنشأ وهل من الممكن فناءها؟"؟