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.

فوتون چیست؟

خواص دوگانه موج و ذره

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

فیلم آموزش فیزیک مدرن با رویکرد حل‌مساله 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 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.

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.

$$\large E=cp$$

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.

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.

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

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