الفوتونات (التكميم): التعريف والخصائص وثنائية الموجة والجسيم

يمكن القول إن الضوء هو أحد أغرب الموضوعات التي سيواجهها طالب الفيزياء. أسرع شيء في الكون هو بطريقة ما جسيم وموجة - ويعرض الخصائص الفريدة لكليهما في نفس الوقت. ولكن ماذاهوضوء؟

فهم ماذاالفوتوناتهي وماذاتوضيحالوسائل أساسية لفهم طبيعة الضوء وفيزياء الكم وعدد لا يحصى من الظواهر ذات الصلة.

الفوتونات هي الاسم الرسمي لجزيئات الضوء. يمكن أن تكون مرئية للبشر أم لا ، لأن المصطلح هناضوءيستخدم بالمعنى الفيزيائي ، مما يعني أن الفوتون هو جسيم من الإشعاع الكهرومغناطيسي عند أي تردد على الطيف ، من موجات الراديو إلى أشعة جاما.

الفوتونات هيمحددةالجسيم. هذا يعني أنها موجودة فقط بكميات منفصلة من الطاقة ، وليس أي كمية من الطاقة بينهما. عند النظر في الوصف الأكثر توجهاً نحو الكيمياء للفوتون باعتباره الطاقة المنبعثة عند سقوط الإلكترون إلى مستوى طاقة أقل في الذرة ، هذا منطقي: يمكن أن تكون الإلكترونات فقط في مدارات معينة ، أو طاقة المستويات. لا توجد نصف خطوات. لذلك إذا كان الفوتون نتيجة "سقوط إلكترون" ، يجب أن يأتي الفوتون أيضًا بكميات طاقة محددة فقط ، أو كوانتا.

قدم ألبرت أينشتاين مفهوم الكميات الخفيفة (الفوتونات) في ورقة بحثية عام 1905. واحدة من أربع أوراق نشرها في ذلك العام أحدثت ثورة في العلم ، كانت هذه هي الفكرة التي فازت به جائزة نوبل.

كما ذكرنا سابقًا ، يشير الضوء إلى أي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي ، تتميز أنواعه بتردداتها المختلفة (أو أطوالها الموجية). هذان المقياسان هما من خصائص الموجات ، ويترتب على ذلك أن الضوء يجب أن يكونموجه كهرومغناطيسية.​

لكن انتظر - في القسم السابق من المقالة ، تم تقديم الضوء كملفالجسيم، الفوتون ، ليس كموجة. هذا صحيح. الطبيعة الغريبة للضوء هي الوجود فيما يسمى ثنائية الموجة والجسيم:إنها موجة وجسيم في نفس الوقت.​

لذلك فإن كلا من "الموجة الكهرومغناطيسية" و "الفوتون" يعتبران من الواصفات المقبولة للضوء. عادةً ما تُستخدم العبارة الأولى لوصف الضوء عندما يكون كذلكتعمل كموجةوالمصطلح الأخير عندما يكونيعمل كجسيم​.

يصبح هذا مهمًا اعتمادًا على الظواهر التي يفحصها الفيزيائي. في مواقف معينة وفي تجارب معينة ، تتصرف الفوتونات كما يتوقع الفيزيائيون أن تعمل الجسيمات ، على سبيل المثال ، عند ملاحظة التأثير الكهروضوئي. في مواقف وتجارب أخرى ، يعمل الضوء مثل الموجات ، مثل تعديل محطة راديو.

أي شيء يقتصر على قيم منفصلة بدلاً من وجوده على طيف مستمر يخضع لعملية تكميم.

يشرح التكميم في الذرة أن كمية الطاقة التي يمكن أن تنبعث على شكل فوتون ستحدث فقط في مضاعفات ثابت بلانك للوحدة الأولية ،ح= 6.6262 × 10 ^-34 جول-ثانية

هذه الوحدة ، التي اكتشفها ماكس بلانك في أواخر القرن التاسع عشر ، هي واحدة من أكثر الوحدات غرابة وأهمية في الفيزياء. يصف العلاقة بين تردد موجة-جسيم ومستوى طاقته ، وبالتالي يضع حدًا أدنى لليقين الذي يمكننا من خلاله فهم بنية المادة.

أحد أكبر تداعيات معرفة هذا الحد ، والذي ساعد أيضًا في بدء مجال الدراسة الفردي ولكن الحقيقي المعروف باسم فيزياء الكم ، في أصغر المستويات الذرية الفرعية يمكن وصف موضع الجسيمات فقط بـ a احتمالا. بعبارة أخرى ، فقط موضع الجسيمات دون الذريةأويمكن معرفة السرعة على وجه اليقين في أي وقت ، ولكنليس كليهما​.

تحديد الكمحيؤدي إلى معادلة طاقة الفوتون:

حيث الطاقةههو بالجول (J) ، ثابت بلانكحفي الجول بالثواني (Js) والترددFهو بالهرتز (هرتز).

ربما يعتقد معظم الناس أن الجسيمات هي وحدات صغيرة من المادة ، والتي يتم قياس حجمها وفقًا لكتلها. هذا يجعل الشكل الجسيمي للضوء وحشًا غريبًا بشكل خاص لأن الفوتون ، كوحدة من الطاقة النقية ، له كتلة صفرية.

خاصية أخرى مهمة للفوتونات هي أنها تسافر دائمًا بسرعة الضوء ، ~ 300.000.000 م / ث في فراغ الفضاء الفارغ. يمكن للضوء أن ينتقل بشكل أبطأ من ذلك - في أي وقت يصادف فيه مادة أخرى يتفاعل معها ويبطئ سرعتها ، بحيث كلما كانت المادة التي يمر الضوء خلالها أكثر كثافة ، كانت أبطأ. ومع ذلك،لا شيء في الكون يمكنه السفر أسرع من الضوء. ليس أسرع صاروخ ولا الجسيم الذري الأكثر تسارعًا.

• سرعة الضوء ، حوالي 300.000.000 م / ث ، هي الأسرع التي يمكن لأي شيء أن يسافر بها. هذا هو السبب في أنه يشار إليه أيضًا باسم الحد الأقصى لسرعة الكون.

بهذه الطريقة ، يعد فهم الضوء أمرًا بالغ الأهمية لفهم الحدود الأساسية للكون نفسه ، من أكبرها إلى أصغرها.

على الرغم من أن الضوء يسافر دائمًا في نفس الوقتسرعةفي وسط معين ، كشكل من أشكال الإشعاع الكهرومغناطيسي ، يمكن أن يكون مختلفًاالتردداتأوأطوال موجية. الترددات والأطوال الموجية للضوء مثل الموجات الكهرومغناطيسية تتغير عكسيا مع بعضها البعض على طول الطيف.

عند أطول طول موجي وأقل تردد ، توجد موجات الراديو ، وبعد ذلك تظهر الموجات الميكروية والأشعة تحت الحمراء الضوء ، والأشعة فوق البنفسجية ، والأشعة السينية ، وأشعة جاما عالية الطاقة ، ولكل منها أطوال موجية أقصر وأعلى تدريجيًا الترددات.

بدأ الفيزيائيون في الثلاثينيات من القرن الماضي يتعلمون أن كل مادة في الكون تتكون من عدد قليل الجسيمات الأساسية ، والمعروفة باسم الجسيمات الأولية ، والتي تخضع جميعها لنفس مجموعة القوى الأساسية. الالنموذج القياسيفيزياء الجسيمات هي مجموعة من المعادلات التي تحاول أن تصف بإيجاز كيفية ارتباط كل هذه الجسيمات الأولية والقوى الأساسية. الضوء جزء هام من هذا الوصف العالمي.

في مرحلة التطوير منذ سبعينيات القرن الماضي ، تنبأ النموذج القياسي حتى الآن بشكل صحيح بنتائج العديد من تجارب فيزياء الكم ، وليس كلها. المشكلة الصارخة التي لم يتم حلها بعد في النموذج هي كيفية دمج الجاذبية في مجموعة المعادلات. بالإضافة إلى ذلك ، فشل في تقديم إجابات حول بعض الأسئلة الكونية الكبيرة ، بما في ذلك معرفة ماهية المادة المظلمة أو إلى أين اختفت كل المادة المضادة التي تم إنشاؤها في الانفجار العظيم. ومع ذلك ، فهي مقبولة على نطاق واسع وتعتبر أفضل نظرية لشرح الطبيعة الأساسية لوجودنا حتى الآن.

في النموذج القياسي ، تتكون كل المادة من فئة من الجسيمات الأولية تسمىالفرميونات. تنقسم الفرميونات إلى نوعين:جسيمات دون الذريةأواللبتونات. تنقسم كل فئة من هذه الفئات أيضًا إلى ستة جسيمات مرتبطة في أزواج تُعرف باسمأجيال. الجيل الأول هو الأكثر استقرارًا ، مع وجود جزيئات أثقل وأقل استقرارًا في الجيلين الثاني والثالث.

المكونات الأخرى للنموذج القياسي هي القوى والجسيمات الحاملة ، والمعروفة باسمالبوزونات. ترتبط كل من القوى الأساسية الأربع - الجاذبية ، والقوى الكهرومغناطيسية ، والقوية والضعيفة - بالبوزون الذي ينقل القوة في التبادل مع جسيمات المادة.

قام علماء فيزياء الجسيمات الذين يعملون في المسرعات أو يراقبون تصادم الجسيمات عالية الطاقة من الفضاء بتحديد البوزونات للقوى الثلاث الأخيرة.الفوتون هو البوزون الذي يحمل القوة الكهرومغناطيسية في الكون، الغلوونتسوس القوة القوية ودبليووضالجسيمات تحمل القوة الضعيفة. لكن البوزون النظري للجاذبية هوجرافيتون، لا يزال بعيد المنال.

​إشعاع الجسم الأسود.الأجسام السوداء هي نوع افتراضي من الأشياء (لا توجد أجسام مثالية في الطبيعة) تمتص كل الإشعاع الكهرومغناطيسي الذي يضربها. من حيث الجوهر ، فإن أي إشعاع كهرومغناطيسي يصطدم بجسم أسود يعمل على تسخينه والإشعاع الذي يصدره أثناء التبريد يرتبط مباشرة بدرجة حرارته. يمكن للفيزيائيين استخدام هذا التقريب لاستنتاج خصائص الأجسام السوداء شبه المثالية في الكون ، مثل النجوم والثقوب السوداء.

في حين أن الطبيعة الموجية للضوء تساعد في وصف ترددات إشعاع الجسم الأسود التي يمتصها الجسم ويبعثها ، فهي تساعد طبيعة الجسيمات كفوتون أيضًا في وصفها رياضيًا ، لأن الطاقات التي يمكن أن يحتويها الجسم الأسود مكمَّلة. كان ماكس بلانك من بين الأوائل الذين بحثوا في هذه الظاهرة.

​تجربة الشق المزدوج.تُظهر تجربة الشق المزدوج ، وهي عقيدة مركزية لفيزياء الكم ، كيف ينتج عن تسليط الضوء على حاجز بفتحتين ضيقتين نمطًا مميزًا من الضوء والظلال الداكنة يُعرف باسم aنمط تدخل الموجة​.

والجزء الغريب في هذا هو أن فوتونًا واحدًا يظهر من خلال الفتحة سيظل يتصرف كما لو أنه يتداخل مع الفوتونات الأخرى ، على الرغم من كونه وحيدًا وغير قابل للتجزئة. وهذا يعني أن نمط الضوء الذي لوحظ في التجربة لا يمكن تفسيره بمعالجة الضوء على أنه فوتون أو موجة فقط ؛ يجب النظر في كليهما. غالبًا ما يتم الاستشهاد بهذه التجربة في شرح المقصود بفكرة ازدواجية الموجة والجسيم.

​تأثير كومبتون.تأثير كومبتون هو مثال آخر يمكن ملاحظته للتفاعل بين موجة الضوء وطبيعة الجسيمات. يصف كيف يتم الحفاظ على كل من الطاقة والزخم عندما يصطدم الفوتون بإلكترون ثابت. يُظهر الجمع بين معادلة كمية طاقة الفوتون مع معادلات الحفاظ على الزخم أن الناتج يمكن التنبؤ بالطول الموجي للفوتون الخارج (الإلكترون الثابت في البداية) من خلال الطول الموجي للفوتون الوارد الذي أعطى إنها طاقة.

​التحليل الطيفي.تسمح تقنية التحليل الطيفي للفيزيائيين والكيميائيين وعلماء الفلك وغيرهم من العلماء بالتحقيق في تركيب المواد ، بما في ذلك النجوم البعيدة ، ببساطة عن طريق تحليل الأنماط الناتجة عن فصل الضوء الوارد من هذا الكائن ب نشور زجاجي. نظرًا لأن العناصر المختلفة تمتص الفوتونات وتصدرها في كوانت منفصلة ، فإن الأطوال الموجية الكهرومغناطيسية المرصودة تقع في أجزاء منفصلة اعتمادًا على العناصر التي تحتوي عليها الكائنات.

​معادلة الكتلة والطاقة.يستطيع الكثير من الأطفال قراءة معادلة أينشتاين الشهيرةه = مك². باختصار ولطيف ، فإن الآثار الحقيقية لهذه المعادلة عميقة:كتلةموالطاقةهمتكافئةويمكن تحويلها إلى بعضها البعض باستخدام سرعة الضوء في الفراغ ،ج، تربيع. هذا يعني بشكل مهم أن الجسم الذي لا يتحرك لا يزال لديه طاقة ؛ في هذه الحالةالراحةيقال أن يساوي لهابقية الطاقة​.

يستخدم فيزيائيو الجسيمات معادلة الكتلة والطاقة لتحديد وحدات أبسط لبعض قياساتهم. على سبيل المثال ، يبحث الفيزيائيون الكموميون عن كتل الفرميونات أو البوزونات عن طريق تسريع الجسيمات دون الذرية مثل البروتونات والإلكترونات إلى سرعات قريبة من الضوء في المسرعات العملاقة وتحطيمها معًا ، ثم تحليل تأثيرات "الحطام" في مسرعات كهربائية شديدة الحساسية المصفوفات.

بدلاً من إعطاء الكتلة بالكيلوجرام ، فإن الطريقة الشائعة للإبلاغ عن كتل الجسيمات هي في جيجا إلكترون فولت ، أو GeV ، وهي وحدة طاقة. لإعادة هذه القيمة إلى كتلة في وحدة الكيلوجرام في النظام الدولي للوحدات ، يمكنهم استخدام هذه العلاقة البسيطة: 1 GeV /ج​² = 1.78266192×10⁻²⁷ ك.