فوتون: الفرق بين النسختين

'''الفوتون''' أو '''ضويء'''<ref>Larousse Arabe Dictionnaire ISBN 978 2 03 586221 1 صفحة 385</ref> {{إنج|Photon}} في [[الفيزياء]]، هو [[جسيم أولي]]، و[[الكم]] [[الضوء|للضوء]] وجميع الأشكال الأخرى [[إشعاع كهرومغناطيسي|للإشعاع الكهرومغناطيسي]]، و[[حامل القوة|الحامل]] [[القوة الكهرومغناطيسية|للقوة الكهرومغناطيسية]]. تسهل ملاحظة تأثيرات هذة [[القوة الكهرومغناطيسية|القوة]] في كلا المستويين الميكروسكوبي والماكروسكوبي، بسبب انعدام [[كتلة ساكنة|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 موجة-جسيم|ازدواجية الموجة والجسيم]]، مظهرة خصائص كلا من [[الموجات]] و[[الجسيمات]] حيث يمكن للفوتون الواحد [[الانكسار]] بواسطة [[العدسات]] و[[تداخل موجات|التداخل]]، ومن الممكن تصرفه [[جسيم أولي|كجسيم]] معطياً نتيجة محددة عند قياس وتحديد موضعه، ويختص بكونه معدوم [[كتلة السكون]]، ومعدوم [[الشحنة الكهربائية]]، بالإضافة لكونه يتنقل في الفراغ ب[[سرعة الضوء]].

طور [[ألبرت أينشتاين]] تدريجياً المفهوم الحديث للفوتون لتفسير الملاحظات التجريبية غير المطابقة لنموذج [[موجة كهرومغناطيسية|موجة الضوء]] التقليدي، حيث علل نموذج الفوتون على وجه الخصوص اعتماد طاقة [[الضوء]] على [[تردد]]ه، وفسر قابلية [[المادة]] و[[الإشعاع]] 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]] [[معادلات ماكسويل|بمعادلات ماكسويل]] وتكمم الأجسام المادية المشعة والماصة [[الضوء|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]] [[فيزياء الجسيمات|لفيزياء الجسيمات]]، وصفت الفوتونات كنتيجة ضرورية للتماثل التام لقوانين [[الفيزياء]] في كل نقطة من [[الزمكان]]. خصائص التناظر القياسي هذا تحدد الخصائص الجوهرية للفوتونات [[الشحنة|كالشحنة]] و[[الكتلة]] و[[اللف المغزلي]]. وقد أدى نموذج الفوتون إلى تقدم هائل في مجال [[الفيزياء النظرية]] و[[الفيزياء التجريبية|التجريبية]]، [[الليزر|كالليزر]]، و[[تكاثف بوز وأينشتاين]]، و[[نظرية الحقل الكمومي]]، و[[مطال الاحتمال]] [[ميكانيكا الكم|لميكانيكا الكم]]، وقد تم تطبيقه على [[كيمياء ضوئية|الكيمياء الضوئية]]، و[[مجهر ضوئي|المجاهر عالية الوضوح]]، وقياسات المسافات الجزيئية. حديثاً تم دراسة الفوتونات بوصفها عناصر من أجهزة [[حاسوب كمومي|الحاسوب الكمومي]] والتطبيقات المتطورة في الاتصالات البصرية مثل التشفير الكمومي.

:<math>E = \frac{hc}{\lambda}</math>،

حيث <math>h</math> هو [[ثابت بلانك]]، و<math>c</math> سرعة الضوء، و<math>\lambda</math> [[طول الموجة]].

[[ملف:Young Diffraction.png|تصغير|200بك||أظهرت [[تجربة الشق المضاعف]] [[توماس يونغ (عالم)|لتوماس ينغ]] في 1805 أن الضوء يمكن أن يتصرف مثل [[الموجة]]، مساندة بذلك في هزيمة نظريات الجسيم المبكرة للضوء.]]

كانت أغلب النظريات حتى [[قرن 18|القرن الثامن عشر]] تصف الضوء على أنه ناشئ عن جسيمات. أحد هذه النظريات المبكرة كانت قد وصفت في ''[[كتاب البصريات]]'' (1021) [[الحسن بن الهيثم|لابن الهيثم]]، الذي اعتبر أن [[شعاع (بصريات)|أشعة الضوء]] عبارة عن تيارات من جسيمات صغيرة جداً والتي تفتقر لكل المؤهلات الحسية عدا الطاقة.<ref name=Rashed>

|اقتباس=في كتابه البصريات ''أصغر أجزاء من الضوء''، كما يسميها، تحتفظ فقط بخصائص يمكن التعامل معها بالهندسة التحليلية والتحقق منها تجريبياً.

}}</ref> كان هذا رأي [[إسحاق نيوتن]] أيضا في طبيعة الضوء. لما كانت نماذج [[الجسيم]] غير قادرة على تفسير [[الانكسار]] و[[الحيود]] و[[الانكسار المزدوج]] للضوء، فقد اقتراح نظريات الموجة للضوء [[رينيه ديكارت]] (1637)، <ref>

}} {{fr icon}}</ref> [[روبرت هوك]] (1665)، <ref>

}} {{fr icon}}. An [http://www.gutenberg.org/etext/14725 ترجمة إنكليزية] متوافرة من [[مشروع غوتنبرغ]]</ref>، ،بالرغمبالرغم من ذلك,ذلك، ظلت نماذج الجسيم هي الغالبة، بشكل رئيسي لتأثير [[إسحاق نيوتن]].<ref name="Newton1730">

}}</ref> في أوائل القرن التاسع عشر، شرح كل من [[توماس يونغ (عالم)|توماس يونغ]] و[[أوغستين-جين فرسنل|فرسنل أوغست]] بوضوح عملية [[تداخل]] وانكسار الضوء ومع العام 1850 تم قبول نماذج الموجة عموما.<ref>

}}</ref> في 1865، [[معادلات ماكسويل|تنبؤات]] [[جيمس كلرك ماكسويل]]<ref name="maxwell">

[[ملف:Light-wave-ar.svg|تصغير|340بك||في 1900، [[جيمس كلارك ماكسويل|ماكسويل]] [[معادلات ماكسويل|النموذج النظري للضوء]] على أنه تذبذب مجالين [[حقل كهربائي|كهربائي]] و[[حقل مغناطيسي|مغناطيسي]] بدت مكتملة. مع ذلك، العديد من الملاحظات لم يكن ممكنا تفسيرها بأي نموذج موجي من [[الإشعاع الكهرومغنطيسي]]، وهذا أدى للفكرة القائلة بأن طاقة الضوء كانت قد رزمت في ''كمّات'' الموصوف بالعلاقة E=hν. بينت تجارب لاحقة أن كمات الضوء هذه تحمل أيضا كمية تحرك وعليه، يمكن اعتبارها [[جسيم أولي|جسيمات]]: ولد مفهوم '''الفوتون'''، مؤديا إلى تفهم عميق للمجالات الكهربائية والمغنطيسية نفسها.]]

إن [[معادلة الموجة الكهرومغنطيسية|نظرية الموجة لماكسويل]]، مع ذلك، لا تحسب حسابا لجميع خصائص الضوء. تتنبأ نظرية ماكسويل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على [[شدة|شدتها]]، ليس على [[تردد|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، [[كيمياء ضوئية|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.<ref>اعتماد التردد الإضاءة ص. 276f., التأثير الكهروضوئي قسم 1.4 في {{مرجع كتاب

}}</ref>.<ref group="ملاحظات">ينبغي فهم أنها "بغض النظر عن كمية الشدة" تشير إلى كميات شدتها تحت 10¹³ W/cm² تقريبا والتي تبدأ عندها نقطة [[نظرية التشويش]] بالانهيار. المثير للاهتمام في موضوع الشدة، والذي يكون للضوء المرئي تقريبا فوق 10¹⁴ W/cm²، يتنبأ الوصف الكلاسيكي للموجة أن الطاقة المكتسبة بواسطة الإلكترونات، تدعى [[طاقة بنديرو الدافعة]]. انظر أيضا ^{[http://adsabs.harvard.edu/abs/1996AIPC..369.1234B]}. بالمقارنة، فإن ضوء الشمس ليس سوى 0.1 W/cm².</ref>

* [[1900]] : وصف الفيزيائي [[ماكس بلانك]] الضوء وكل أشكال [[الطاقة]] الإشعاعية بأنها تيارات من [[جسيمات]] تسمى كمات وكل كم من الطاقة حزمة ولا يمكن تقسيمها، والفوتون كم من الطاقة [[الكهرومغنطيسية]].

كما يمكن حساب طاقة الفوتون بمعرفة [[طول موجة|طول موجته]]، من المعادلة:

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 <math>p</math> وهي تعطى بالعلاقة التالية الناتجة عن [[ميكانيكا الكم]] :

[[ملف:Bohr-atom-PAR.svg|thumbتصغير|300px|ينشأ الفوتون الضوئي في الذرة عندما يقفز أحد إلكترونات الذرة من مستوي طاقة علوي إلى مستوي طاقة سفلي، عندئذ يطلق الإلكترون فارق الطاقة على هيئة فوتونا له تردد محدد.]]

ينشأ الفوتون الضوئي في الغلاف [[ذرة|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]] [[طيف|للطيف]]، هذان الشعاعان هما فوتونان.

وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن [[أشعة كهرومغناطيسية]]، بعضها يمكن رؤيته وينتمي إلى أشعة [[ضوء مرئي|الضوء المرئي]]، والبعض الآخر يمكن أن يظهر في هيئة شعاع من [[أشعة سينية|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 [[1900]]م 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 [[1905]]م ذهب [[ألبرت آينشتاين]] إلى أبعد من ذلك حين قال أن الأمواج الكهرومغناطيسية لا يُمكن أن توجد إلا على شكل حزم طاقة<ref name="Einstein1905">

}} {{de icon}}. A partial [[s:A Heuristic Model of the Creation and Transformation of Light|English translation]] is available from [[ويكي مصدر]].</ref>. 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 [[قانون بقاء الطاقة|لا تستحدث ولا تفنى]]"<ref name="Lewis1926">

}}</ref>. 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]].<ref>

وعادة ما يُشار في الفيزياء إلى الفوتون برمز "γ" (الحرف الإغريقي "غاما"). وربما استخدم هذا الرمز تيمّناً [[أشعة غاما|بأشعة غاما]] (والتي اكتشفها وأسماها الفيزيائي "باول فيلارد" في عام [[19001990]]<ref>

}}</ref>. في [[الكيمياء]] و[[الهندسة 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.

}}</ref>، ونظريا كل [[الأعداد الكمية]] الأخرى للفوتون (مثل [[عدد الباريون]] و[[نكهة (فيزياء الجسيمات)|الأعداد الكمية للنكهة]]) هي صفر<ref>See p.31 in

العلاقة بين [[طاقة]] و[[زخم حركة]] الفوتون هي "E = pc"، حيث أن "E" هي الطاقة و"p" هي مقدار [[متجه]] زخم الحركة و"c" هي سرعة الضوء<ref>See section 1.6 in {{مرجع كتاب

يُعتقد حالياً أن الفوتون عديم [[الكتلة السكونية]] <ref group="ملاحظات">أثبتت نظرية [[النسبية الخاصة]] لآينشتاين أن كتلة الأجسام يُمكن أن تزيد في حال تحركت بسرعة قريبة من سرعة الضوء. وعند 86% من [[سرعة الضوء]] تتضاعف الكتلة. ولذلك فقد وُلد مصطلحان للتعبير عن الكتلة هما: [[الكتلة السكونية]]، وهي كتلة الأجسام عندما تكون ثابتة. و[[الكتلة الحركية]]، وهي كتلة الأجسام عندما تتحرك بما يقارب سرعة الضوء.</ref> 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]]<ref>{{cite journal|المؤلف= David Mermin|العنوان=Relativity without light|journal=American Journal of Physics| التاريخ= February 1984| volume= 52(2)|الصفحات=119–124}}</ref>. وهكذا فهي ما زالت سرعة الأمواج في الزمكان (أمواج الجاذبية والجاذبية)، لكنها ليست سرعة الفوتونات.

تم التحقق من تنبؤات [[ألبرت أينشتاين|أينشتاين]] عام 1905 تجريبياً بطرق عدة خلال العقدين الأولين من [[قرن 20|القرن العشرين]]. قبل [[تأثير كومبتون|تجربة كومبتون (تأثير كومبتون)]] التي أثبتت أن الفوتونات حملت [[زخم حركة]] متناسب مع [[رقم الموجة]] ([[التردد]]) كان معظم الفيزيائيين مترددين في الاعتقاد بأن [[إشعاع كهرومغناطيسي|الإشعاع الكهرومغناطيسي]] قد يكون جسيمي، بدلاً من ذلك كان هناك اعتقاد منتشر بأن تكميم الطاقة ينتج عن بعض القيود الغير معروفة [[المادة|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]] و[[هندريك أنتوني كرامرز]]، و[[جون كلارك سلاتر]] بمحاولة أخيرة للحفاظ على [[معادلات ماكسويل|نموذج ماكسويل للحقل الكهرومغناطيسي المستمر للضوء]] والتي أطلق عليها اسم [[نظرية بكس]]^{[[w:BKS theory|<nowiki>[</nowiki>en<nowiki>]</nowiki>]]}. لإدخال البيانات التي كانت متوفرة وقتها في الحساب،كانالحساب، كان لابد من وضع فرضيتين جذريتين:

#التخلي عن السببية: مثال، [[إشعاع تلقائي|الإشعاعات التلقائية]] هي فقط اشعاعات ناجمة عن [[مجال مغناطيسي]] "افتراضي".

ومع ذلك، أظهرت [[تأثير كومبتون|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 [[نيلز بور|بور]] وزملاؤه نهاية مشرفة لنموذجهم قدر المستطاع. ومع ذلك ألهم فشل نموذج [[نظرية بكس]] [[فيرنر هايزنبيرغ]] في تطويره ل[[ميكانيكا 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 [[تأثير كومبتون|التفاعل بين الضوء والمادة]]. ومع ذاك دحضت تماما كل النظريات النصف تقليدية المعقدة [[مادة|للمادة]] في السبعينيات والثمانينيات من القرن العشرين بالتجارب المرتبطة بالفوتون. ومنذ ذلك الحين تم الأخذ بعين الاعتبار نظرية [[ألبرت أينشتاين|أينشتاين]] بأن التكميم خاصية [[ضوء|للضوء]] نفسه ليتم إثباتها.