تعريف الفوتون
الفوتون (بالإنجليزية: Photon) هو الوحدة الأساسية للضوء، ويُعتبر الجسيم الأولي المكون لأشعة الضوء. يمثل هذا الجسيم حزمة دقيقة من الطاقة الخاصة بالإشعاع الكهرومغناطيسي، وقد فسر العالم ألبرت أينشتاين في عام 1905 م هذا المفهوم من خلال تقديم نظرية التأثير الكهروضوئي، حيث اقترح وجود حزم منفصلة من الطاقة أثناء انتقال الضوء. تحمل الفوتونات طاقة تعتمد على التردد الإشعاعي، وهي موجودة في أشكال متنوعة من الأشعة، مثل أشعة جاما ذات الطاقة العالية، والأشعة السينية، والأشعة تحت الحمراء، وموجات الراديو. الفوتونات تتميز بسرعة انتقالها الفائقة، حيث إنها لا تُدرك بسهولة، وتصنف كجسيمات دون ذرية يُعتقد أنها تحمل المجال الكهرومغناطيسي.
خصائص الفوتونات
استنادًا إلى نظرية الفوتون المتعلقة بالضوء، تمتلك الفوتونات الخصائص التالية:
- الفوتون يعتبر جسيمًا وموجة في آن واحد.
- يتحرك الفوتون بسرعة الضوء والتي تقدر بـ (2.9979 × 10^8) م/ث في الفراغ.
- الفوتون ليس له كتلة، لكنه يتمتع بطاقة وزخم حركي مرتبطين بالتردد وطول الموجة.
- يمكن أن يتشكل الفوتون أو يتلاشى عند امتصاص أو انبعاث الإشعاع.
- يمتلك الفوتون طاقة لا يمكن تقسيمها، تُخزن كحقل كهربائي متذبذب.
- لديه القدرة على التفاعل مع الجسيمات الأخرى مثل الإلكترونات.
- يتميز الفوتون بطول موجي وتردد خاص به مثل الموجات الكهرومغناطيسية.
- الفوتون ليس له لون؛ فهو شفاف ولا يمكن كشفه بواسطة العين البشرية، على عكس الموجات الكهرومغناطيسية، لكن يمكن إدراكه عندما تتجمع مجموعة كبيرة من الفوتونات على شبكة العين.
تاريخ اكتشاف الفوتون
بدأت رحلة اكتشاف الفوتون في أوائل القرن العشرين، حيث تم الكشف عن نظرية بلانك للجسم الأسود في عام 1901 م. تلى ذلك في عام 1902 م اكتشاف العالم لينارد، الذي أشار إلى أن طاقة الإلكترونات تعتمد على الطول الموجي وليس على شدة الضوء. في عام 1905 م، تناول أينشتاين اكتشاف لينارد معتبراً أن الطاقة موزعة في الفضاء بشكل غير منظم، حيث دمج نظرية بلانك مع الميكانيكا الإحصائية وتوصل إلى أن الضوء يعد كمًا. في عام 1923 م، قدم أينشتاين دليلاً واضحاً على سلوك الجسيمات، مشيرًا إلى أنها تحمل طاقة وزخمًا، مستندًا إلى تجارب كومبتون حول تشتت الأشعة السينية على الإلكترونات.
كان مصطلح الفوتون قد أطلقه العالم لويس في مقالته التي حملت عنوان “حفظ الفوتونات” عام 1926 م، حيث توصل إلى أن الفوتونات هي ذرات من الضوء تحتفظ بشكل مشابه للذرات الطبيعية. بحلول عام 1977 م، تم إثبات مفهوم الفوتون كأول ظاهرة بصرية كمومية تم فحصها بدقة في مجال الفيزياء.
ما هي الموجات الكهرومغناطيسية
تُعرف الموجات الكهرومغناطيسية (بالإنجليزية: Electromagnetic Waves) بأنها تعبر عن الضوء، سواء كان مرئيًا أو غير مرئي، حيث تتكون هذه الموجات من مجال كهربائي يتأرجح في مستوى عمودي على موجة من المجال المغناطيسي. كل موجة كهرومغناطيسية تمتلك ترددًا وطول موجي مرتبطًا بها، ومن خلال ذلك يمكن تحديد سرعة الموجة، والتي قد تتساوى مع سرعة الضوء في الفراغ. على عكس الموجات الصوتية، فإن الموجات الكهرومغناطيسية لا تحتاج إلى وسط لنقلها، بل يمكنها الانتقال بسهولة عبر الفراغ.
الخلاصة
يمكن تقسيم الضوء إلى وحدات صغيرة تُعرف بالفوتونات، حيث تحمل هذه الوحدات كمية من الطاقة وتتحرك بسرعة الضوء، كما أنها عديمة اللون.