فوتون در فیزیک — به زبان ساده

احتمالا تاکنون واژه‌ فیزیک مدرن را شنیده‌اید. این واژه نشان‌دهنده رویکردی جدید نسبت به مسائل فیزیکی است که از ابتدای قرن بیستم پایه‌گذاری شده. ستون‌های این نوع نگاه، دو شاخه‌ نسبیت و کوانتوم مکانیک هستند. کوانتوم مکانیک، مفهومی تحت عنوان فوتون را پیشنهاد می‌دهد که انیشتین آن را برای اولین بار در سال ۱۹۰۵ معرفی کرد.

در این مطلب قصد داریم تا این ذره را معرفی کرده و در مورد کاربرد‌های آن صحبت کنیم. البته به منظور درک روابط حاکم و بررسی کمی‌تر پدیده‌های مرتبط با فوتون می‌توانید مطلب اثر فوتوالکتریک را مطالعه فرمایید. هم‌چنین مطالعه مطلب فضا زمان نیز خالی از لطف نخواهد بود.

فوتون چیست؟

در فیزیک مدرن، فوتون ذره‌ای بنیادی است که منشا تولید امواج الکترومغناطیسی محسوب می‌شود. این ذره منتقل‌کننده تابش الکترومغناطیسی در تمامی طول موج‌ها است. در حقیقت این ذره تابش‌های گاما، پرتو ایکس، نور مرئی و امواج فرابنفش را ایجاد می‌کند. فوتون عاملی مهم در برهمکنش‌های الکترومغناطیسی بین میدان‌های الکتریکی، مغناطیسی و بار‌های ساکن است.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

فوتون تفاوت‌هایی اساسی نسبت به ذراتی همچون «کوارک» ($$quark$$) یا الکترون دارد. جرم ساکن این ذره برابر با صفر بوده، از این رو سرعت این ذره در خلاء دقیقا برابر با سرعت نور است. شاید مهم‌ترین تاثیری که فوتون در زندگی یک فرد عادی دارد، تاثیر آن در دیدن محیط اطراف است. در حقیقت بدون وجود فوتون قادر نخواهیم بود محیط اطرافمان را مشاهده کنیم.

مفهوم فوتون، پیشرفتی چشم‌گیر را در شاخه‌های مهمی از فیزیک همچون لیزر، چگالش بوز-اینشتین، تئوری میدان‌های کوانتومی و بیان احتمالی کوانتوم ایفا کرده است. طبق مدل استاندارد فیزیک ذرات، فوتون عامل ایجاد تمامی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده در طبیعت است. هم‌چنین این ذرات دلیل تقارن ویژه‌ای است که قوانین فیزیکی در صفحه فضا زمان دارند. ویژگی‌های بنیادین فوتون، همچون بار الکتریکی، جرم و اسپین (جهت دوران)، وابسته به خواص تقارن پیمانه‌ای هستند.

مفهوم فوتون در بسیاری از حوزه‌های علم، از جمله فتوشیمی، میکروسکوپی رزولوشن بالا و اندازه‌گیری فاصله‌های مولکولی کاربرد دارد. اخیرا از مفهوم فوتون در کامپیوتر‌های کوانتومی و ارتباطات نوری نیز استفاده شده است.

خواص دوگانه موج و ذره

آزمایشات نشان می‌دهند که فوتون هم خواص موج و هم خواص ذره را دارد. برای نمونه یک فوتون می‌تواند منعکس شده یا تداخل ویرانگر ایجاد کند. تداخل ویرانگر به حالتی گفته می‌شود که دو موج برخوردی یکدیگر را خنثی می‌کنند. بنابراین این ویژگی‌ها نشان‌گر موجی بودن فوتون است. از طرفی به عنوان یک ذره، فوتون تنها می‌تواند با انتقال مقدار مشخصی از انرژی، با دیگر مواد کنش داشته باشد. این مقدار از انرژ‌ی برای تنها $$1$$فوتون برابر است با:

$$\large E = \frac { h c } { \lambda }$$

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل مساله در فرادرس

کلیک کنید

در رابطه فوق $$h$$، ثابت پلانک، $$c$$، سرعت نور و $$\lambda$$، طول موج فوتون است. برای نور مرئی، انرژی منتقل شده توسط $$1$$ فوتون، عددی بسیار کوچک، تقریبا برابر با $$4 × 10 ^ { −19 } \ \ J$$ است. این مقدار از انرژی به منظور تحریک یک مولکول‌ از گیرنده‌های چشم کافی است!

علاوه بر انرژی، یک فوتون می‌تواند حامل تکانه بوده و دارای خاصیت قطبشی نیز باشد. تعیین این خاصیت‌ها از قوانین مکانیک کوانتوم پیروی می‌کنند. با توجه به این قوانین نمی‌توان به طور دقیق ویژگی‌های یک فوتون را اندازه‌گیری کرد. از این رو از توابع احتمال به منظور اندازه‌گیری ویژگی‌های فوتون استفاده می‌شود. برای نمونه حضور یک فوتون در موقعیت‌های مختلف، در قالب احتمال بیان می‌شود.

دیدگاه کلاسیک و مدرن

در بیشتر تئوری‌های ارائه شده تا قبل از قرن هجدهم، نور به عنوان پدیده‌ای ذره‌ای تصور می‌شد. در معروف‌ترین نظریه‌های ارائه شده توسط دکارت، رابرت هوک و کریستیان هویگنس، پدیده‌هایی همچون بازتاب و پخش شدن، با فرض ذره‌ای بودن نور توجیه نمی‌شدند. با این حال تا قبل از قرن هجدهم، این دیدگاه‌ در مورد نور، به نسبت دیگر دیدگاه‌ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته بود.

در اوایل قرن نوزدهم، توماس یانگ و اگوستن-ژان فرنل، با استفاده از آزمایش‌هایی پخش شدن نور و بازتاب آن را توضیح دادند. نهایتا در دهه ۱۸۵۰ میلادی مدل‌های موجی بودن نور به صورت رسمی مورد پذیرش جامعه علمی قرار گرفت.

در سال ۱۸۶۵ نظریه جیمز کلارک ماکسول در مورد الکترومغناطیس‌ بودن نور اثبات شد و تقریبا کمتر کسی ادعا می‌کرد که نور، ماهیتی ذره‌ای دارد. نظریه ماکسول در سال ۱۸۶۵ با آزمایش‌هایی که توسط هرتز انجام شد، مورد تایید قرار گرفت.

نظریه امواجِ ماکسول، تمامی ویژگی‌های نور را پوشش نمی‌دهد. این نظریه بیان می‌کند که انرژی منتقل شده توسط نور وابسته به کمیت شدت بوده و به فرکانس وابسته نیست. این در حالی است که آزمایش‌ها نشان می‌دهند که انرژی منتقل شده تنها وابسته به فرکانس بوده و به شدت نور هیچ ارتباطی ندارد. برای نمونه برخی از فرآیند‌های شیمیایی را می‌توان با افزایش فرکانس نور تابیده شده به آن، به راه انداخت. اگر فرکانس مذکور از مقداری مشخص کمتر باشد، واکنش آغاز نخواهد شد. طبق نظریه‌ای که آلبرت انیشتین در سال ۱۹۰۵ آن را توضیح داد نیز می‌توان با افزایش نور تابیده شده به یک سطح فلزی الکترون‌های آن را جدا کرد. این پدیده، تحت عنوان اثر فوتوالکتریک شناخته می‌شود.

از دهه ۱۸۶۰ تا ۱۹۰۰، به مدت ۴ دهه آزمایشاتی به منظور توضیح پدیده تابش جسم سیاه انجام شد؛ این آزمایشات نهایتا توضیح ماکس پلانک را در مورد تابش جسم سیاه در پی داشت. طبق این نظریه، انرژی جذب شده یا تابیده شده توسط جسم سیاه هم‌چون بسته‌هایی از انرژی است که اندازه آن، ضرایبی صحیح از مقدار $$\frac{h}{\nu}$$ است. این رابطه همان رابطه‌ای است که در بالا، بر حسب طول موج بیان شد. طبق این رابطه، مقدار انرژی جذب شده یا تابش شده، تنها وابسته به مشخصات موجی است که جذب می‌کند یا نشر می‌دهد. با این حال تا قبل از ارائه این نظریه، تصور می‌شد که نوع ماده در میزان انرژی تابش شده از آن تعیین کننده است.

نظریه‌های نوین در مورد فوتون برای اولین بار بین سال‌های ۱۹۰۵ تا ۱۹۱۷ توسط آلبرت انیشتین ارائه شدند. هدف اصلی این نظریه‌ها توجیه رفتار‌هایی از نور بود که از آزمایش‌ها مشاهده شده‌ بودند. نتایج این آزمایشات در مورد ماهیت نور، با استفاده از نظریه‌های کلاسیکِ موجی بودن نور قابل توجیه نبودند.

در سال ۱۹۰۵ انیشتین، بسته‌ای بودن انرژی را وابسته به ماهیت تابش الکترومغناطیسی دانست. او هم‌چنین در عین تایید کردن نظریه موجی ماکسول، اعتقاد داشت که بسیاری از پارادوکس‌های مشاهده شده در آزمایش‌های نوری را می‌توان با فرض بسته بودن انرژیِ تابش شده توجیه کرد. او سال‌های ۱۹۱۶ و ۱۹۰۹ بیان کرد که اگر نظریه تابش جسم سیاهِ پلانک مورد قبول واقع شود، در این صورت این بسته‌های انرژی باید مومنتومی برابر با $$p=\frac{h}{\lambda}$$ نیز منتقل کنند. این بیان مشابه این است که بگوییم نور ماهیتی ذره‌ای دارد! انتقال مومنتوم در آزمایشی توسط «آرتور هالی کامپتون» (Arthur Compton) نشان داده شد. جالب است بدانید که کشف مذکور، نوبل فیزیک را برای کامپتون در سال ۱۹۲۷ به ارمغان آورد.

حال سئوال جدید پیش روی دانشمندان این بود که چطور می‌توان تئوری موجی ماکسول را با مشاهدات ذره‌ای بودن نور ادغام کرد؟ این پارادوکس، مسئله‌ای بود که ذهن انیشتین را در مابقی عمرش درگیر کرده بود. نهایتا در الکترودینامیک کوانتومی و نظریه مدل استاندارد به این مسئله پاسخ داده شد.

ویژگی‌های فیزیکی فوتون

فوتون جرم و بار الکتریکی ندارد. این ذره همچنین به صورت ناگهانی، با زمان و در فضای تهی نابود نمی‌شود. یک فوتون دارای دو حالتِ قطبش است. این حالت‌های قطبش نیز با استفاده از ۳ پارامتر توصیف می‌شوند. این پارامتر‌ها مولفه‌های بردار موج هستند؛ به نحوی که طول موج $$\lambda$$ و جهت انتشار آن را مشخص می‌کنند. فوتون، جزء گروه بوزون‌های شاخص محسوب می‌شود. هم‌چنین تداخل الکترومغناطیسی امواج نیز به دلیل وجود فوتون‌‌ها است.

در بسیاری از فرآیند‌های طبیعی فوتون تابش می‌شود. در ادامه مثال‌هایی از فرآیند‌هایی که رخ دادن آن‌ها منجر به تولید فوتون می‌شود، ارائه شده است.

• شتاب گرفتن ذرات باردار الکتریکی
• رخ دادن فرآیند‌های شیمایی
• انتقال الکترون به سطح انرژی پایین‌تر

جالب است بدانید که اگر فرآیند تولید فوتون، معکوس شود، آن فرآیند فوتون جذب می‌کند. برای نمونه الکترونی را در نظر بگیرید که از سطح انرژی پایین‌تر به سطح انرژی بالاتری صعود کند. این فرآیند فوتون جذب می‌کند.

در فضای تهی، فوتون با سرعت نور یا $$c$$ حرکت می‌کند. هم‌چنین انرژی و مومنتوم آن به‌ترتیب با $$E$$ و $$p$$ نمایش داده می‌شود. با این فرضیات انرژی فوتون برابر با رابطه زیر محاسبه می‌شود.

$$\large E=cp$$

فیلم آموزش مکانیک کوانتومی 1 – جامع و با نکات کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

به منظور مقایسه خوب است بدانید که انرژی دیگر ذرات را مطابق با رابطه زیر در نظر می‌گیرند.

$$\large E ^ { 2 } = c ^ { 2 } p ^ { 2 } + m ^{ 2 } c ^ { 4 }$$

این در حالی است که انرژی و مومنتوم یک فوتون تنها به فرکانس یا طول موج آن‌ مرتبط است. انرژی یک فوتون برابر است با:

$$\large E = \hbar \omega = h \nu = \frac { h c } { \lambda } = c p$$

هم‌چنین مومنتوم فوتون با استفاده از کمیتی برداری تحت عنوان بردار موج یا $$\overrightarrow k$$ شناخته می‌شود. این کمیت نشان دهنده جهت انتشار موج بوده و اندازه آن متناسب با فرکانس موج است.

$$\large \overrightarrow{ p } = \hbar \overrightarrow { k }$$

با توجه به دو رابطه ارائه شده در بالا، می‌توان رابطه‌ای برای مومنتوم بر حسب طول موج یا فرکانس بدست آورد. این رابطه در ادامه بدست آورده شده است.

$$\large p = \hbar k = \frac { h } { \lambda } = \frac { h \nu } { c }$$

اجزاء رابطه فوق، معرف کمیت‌های زیر هستند.

• $$\large \hbar =\frac {h}{2 \pi }$$: ثابت دیراک (یا ثابت کاهش‌یافته پلانک)
• $$\large k = \frac {2\pi}{\lambda}$$: بردار موج
• $$\large \omega = 2 \pi \nu$$: فرکانس زاویه‌ای

فوتون هم‌چنین منتقل کننده مومنتوم زاویه‌ای است. این کمیت برداری وابسته به فرکانس نبوده و مقدار آن متناسب با $$\sqrt { 2 } \hbar$$ است.

در نظر گرفتن مومنتوم برای فوتون نتایج جالبی را در پی دارد. برای نمونه از نتایج روابط فوق این است که در هنگام فروپاشی یک ذره به همراه پاد ذره‌اش، باید دو فوتون بوجود بیاید. دلیل این امر این است که در مرکز جرم ذره و پادذره مومنتوم خالصی وجود ندارد. بنابراین اگر یک فوتون در اثر برخورد ایجاد شود، همواره مومنتومی غیرصفر خواهد داشت و برابر با مومنتوم اولیه نخواهد بود. انرژی دو فوتون یا به تبع آن فرکانس‌هایشان را می‌توان با استفاده از قانون پایستگی مومنتوم بدست آورد.

روابط کلاسیک مربوط به انرژی و مومنتوم تابش الکترومغناطیسی را می‌توان با استفاده از رخداد‌های فوتونی بازنویسی کرد. برای نمونه فشار تابش الکترومغناطیسی روی یک جسم را می‌توان با استفاده از نرخ مومنتوم منتقل شده در واحد سطح، در واحد زمان مدل‌سازی کرد. ایده طراحی بادبان‌های خورشیدی از مفهوم فشار تابش الکترومغناطیسی شکل گرفته شده است.

دوگانگی موجی-ذره‌ای و اصل عدم قطعیت

فوتون همچون تمامی ذرات کوانتومی، هر دو رفتار موجی و ذره‌ای را دارد. تصویر سازی این دو رفتار بسیار مشکل است. فوتون در مقیاس طولی از مرتبه طول موج خودش، رفتار‌هایی کاملا موجی نشان می‌دهد. دو نمونه معروف از این رفتار‌ها فرآیند پخش شدن و بازتاب هستند.

برای نمونه هنگامی که مجموعه‌ای از فتون‌ها از دو شکاف عبور می‌کنند، الگوی ایجاد شده رو صفحه قرار گرفته پشت شکاف، مطابق با الگوی تداخلی ارائه شده توسط ماکسول خواهد بود. از طرفی برخی دیگر از آزمایش‌ها نشان می‌دهند که فوتون را نمی‌توان پالسی اندک از یک موج الکترومغناطیسی در نظر گرفت.

در سیستم‌هایی که از مرتبه‌ای بسیار کوچک‌تر از طول موج فوتون هستند، رفتار نشری یا جذبی فوتون بسیار مشابه با حالتِ ذره‌ای است. برای نمونه الکترون و هسته اتم مثال‌هایی از این سیستم‌ها هستند. یکی از کلیدی‌ترین اجزاء مکانیک کوانتومی، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ محسوب می‌شود. این اصل می‌گوید که نمی‌توان موقعیت و مومنتوم یک ذره را با هم اندازه‌گیری کرد. توجه داشته باشید که ذارتی بنیادی هم‌چون الکترون‌ها نیز رفتاری مشابه با رفتار فوتون‌ها را در آزمایش دو شکاف یانگ از خود نشان می‌دهند.

هم فوتون‌ها و هم ذرات مادی همچون الکترون، الگوی مشابهی را در نتیجه آزمایش دوشکاف از خودشان نشان می‌دهند. برای فوتون‌ها الگوی تداخلی مبتنی بر مدل موجی ماکسول تعیین می‌شود. این در حالی است که برای الکترون‌ها این الگو مبتنی بر معادله موج شرودینگر است. در حقیقت ممکن است این تصور ایجاد شود که معادلات ماکسول همان معادلات شرودینگر، ولی برای فوتون‌ها است. البته واقعیت این است که اکثر فیزیکدانان با این گزاره مخالف هستند.

بدیهی است که این دو معادله از بسیاری جهات با یکدیگر متفاوت هستند. برای نمونه تک معادله شرودینگر برای میدان‌های موهومی حل می‌شود. این در حالی است که از ۴ معادله ماکسول به منظور تحلیل میدان‌های واقعی استفاده می‌شود. به بیانی واضح‌تر می‌توان گفت که نمی‌توان از تابع احتمال شرودینگر برای فوتون‌ها استفاده کرد.

نقش فوتون به عنوان جرم سیستم

انرژی یک سیستم که در حال تابش فوتون باشد، کاهش می‌یابد. اگر این مقدار از انرژی را با نماد $$E$$ نمایش دهیم، در این صورت جرم سیستم نیز به اندازه $$\frac { E } { c ^ 2 }$$ کاهش خواهد یافت. به طور مشابه یک سیستم با دریافت فوتون، انرژیش افزایش پیدا می‌کند.

از آنجایی که فوتون‌ها در ترم‌های تانسور انرژی-تنش تاثیر‌گذارند، بنابراین طبق نظریه نسبیت عام، این ذرات به دیگر اجسام نیروی گرانشی وارد می‌کنند. به طور عکس، فوتون نیز می‌تواند تحت تاثیر میدان گرانشی قرار گیرد. به طور دقیق‌تر می‌توان گفت حرکت فوتون وابسته به صفحه فضا زمانی است که فوتون در آن حرکت می‌کند.

فوتون در ماده

سرعت نور در یک ماده شفاف کمتر از سرعت مطلق نور در خلاء است. برای نمونه جالب است بدانید که نور تولید شده در مرکزِ خورشید، سال‌ها طول می‌کشد تا به سطح برسد. این در حالی است که تنها ۸.۳ دقیقه طول می‌کشد که این فوتون از سطح خورشید به زمین برسد.

فیلم آموزش فیزیک – پایه دوازدهم در فرادرس

کلیک کنید

دلیل کاهش سرعت نور در هنگام عبور از یک ماده این است که در هنگام حرکت فوتون، برخورد‌هایی صورت می‌گیرد که انرژی فوتون را می‌گیرد.

ضریبی که با استفاده از آن می‌توان مقاومت ماده را در هنگام عبور فوتون اندازه‌گیری کرد، تحت عنوان ضریب پخشندگی شناخته می‌شود. از دیدگاه فیزیک کلاسیک می‌توان این کاهش سرعت نور در ماده را توجیه کرد. در هنگام عبور نور از ماده، قطبش الکتریکی در ماده ایجاد می‌شود. عدم توزیع بار الکتریکی در ماده منجر به تابش نوری جدید خواهد شد. نور جدید ایجاد شده با نور اصلی تداخل داشته و نهایتا موجی با سرعت کمتر بوجود می‌آید.

فوتون‌ها هم‌چنین می‌توانند توسط مولکول‌ها، اتم‌ها یا هسته‌های آن‌ها جذب شوند. این امر منجر به تحریک سطوح انرژی این اجزا می‌شود. مثالی کلاسیک از این انتقال سطح انرژی، انتقال مولکولی $$Retinal$$ (نوعی ویتامین $$A$$) است که در سال $$1958$$ توسط «جرج والد» ($$George Wald$$) و همکارانش کشف شد. همان‌طور که در شکل زیر نیز نشان داده شده، فرآیند ایزومری شدن این مولکول در نتیجه فرآیند جذب، تسریع پیدا می‌کند.

فرآیند جذب فوتون هم‌چنین می‌تواند منجر به شکستن پیوند‌های شیمیایی نیز بشود. برای نمونه پیوند‌های کلر را می‌توان با استفاده از جذب فوتون شکست.

کاربرد‌های فوتون

فوتون‌ها کاربرد‌های بسیاری در تکنولوژی دارند. مهم‌ترین این کاربرد در لیزر است. لیزر دستگاهی است که نور را با مکانیزمی خاص منتشر می‌کند. یک لیزر معمولی نور را به صورتی متمرکز و با طول موجی خاص منتشر می‌کند. لیزر‌ها کاربرد‌هایی گسترده را در بخش‌های مختلف تکنولوژی از جمله الکترونیک، صنعت، پزشکی و نظامی پیدا کرده است.

معمولا از رابطه پلانک یا همان $$E=h\nu$$ توسط مهندسان و شیمیدان‌ها به منظور محاسبه تغییر انرژی مواد در نتیجه جذب فوتون، استفاده می‌شود. هم‌چنین فرکانس نور تابیده شده در نتیجه تغییر سطح انرژی نیز طبق قانون پلانک محاسبه می‌شود.

در برخی از موارد فرآیند انتقال انرژی در نتیجه تابش دو فوتون صورت می‌گیرد. این در حالی است که هریک از فوتون‌ها به تنهایی به منظور تحریک انرژی کافی نخواهد بود. معمولا این روش از انتقال انرژی به نسبت استفاده از دو فوتون، از وضوح بصری بالاتری برخوردار است. دلیل این امر استفاده از دو پرتو انرژی کمتر به جای استفاده از یک پرتو پرانرژی است.

در این مطلب در مورد مفاهیم مربوط به فوتون بحث شد. در مطالب آینده این مفهوم را به صورتی کمی‌تر و در قالب کوانتوم مکانیک مورد بررسی قرار خواهیم داد.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های فیزیک و ریاضی
• مجموعه آموزش‌های فیزیک
• مدل اتمی بور — به زبان ساده
• اوربیتال و آرایش الکترونی — به زبان ساده
• انرژی فوتون -- به زبان ساده
• طیف اتمی — از صفر تا صد