فوتون

فوتون
نور لیزر
ترکیب:	ذرات بنیادی اولیه
خانواده:	بوزون ها
برهم‌کنش:	الکترومغناطیس
استدلال:	آلبرت اینشتین
نماد:	$\gamma$ یا $h\nu$
جرم:	۰
بار الکتریکی:	۰
اسپین:	۱

ساختار موجی فوتون

در فیزیک فوتون به عنوان یه ذره بنیادی میباشد که بعنوان واحد کوانتومی نور ویا هرنوع تابش الکترومغناطیسی محسوب میشودو نماینده حاملان نیرو برای نیروی الکترو مغناطیسی میباشد که اثر این نیرو به راحتی هم در سطح ماکروسکپی وهم در سطح میکروسکپیک قابل مشاهده است. مانند بقیه ذرات بنیادی بهترین تعریف از فوتون توسط مکانیک کوانتومی ارایه میشود. که نشان دهنده ویژگی دوگانگی ذره وموج میباشد تعریف مدرن ازخصوصیات فوتون اولین بار توسط البرت انیشتین ارایه شدکه علت ان توضیح مشاهدات تجربی بود که ان زمان با فیزیک کلاسیک که نور را فقط موج میدانست قابل توضیح نبود از طرفی در توضیح پدیده جسم سیاه توسط ماکس پلانگ او مدلی نیمه کلاسیکی ارایه کرد که در ان با اینکه نور به عنوان موج توسط روابط ماکسول تعریف می شدولی برای مقدار انرژی مقدار های کوانتیده ای در نظر گرفته میشد که این مقدار ها برابر کوانتوم های انرژی فوتون ها بودند که خود این مدل نیمه کلاسیک بعدا پایه های اولیه مکانیک کوانتومی را بنا نهاد بر اساس اصل دوبروی در مورد ذرات دو حالت ذره‌ای و موجی در نظر گرفته می‌شود، که البته این خاصیت در دنیای میکروسکوپی بیشتر مورد مطالعه‌است. به عنوان مثال، اگر ذره‌ای به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره چنان کوچک خواهد بود که اصلاً قابل ملاحظه نیست، اما در مورد ذراتی مانند الکترون این طول موج قابل توجه‌است. بنابراین با توسل به این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند. فوتون دارای اسپین یک است، یعنی از لحاظ ذره‌ای بوزون به حساب می‌آید.

واقعیت کوانتوم‌های نور

بسته موجی

نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از پلانک، آلبرت اینشتین توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس فوتونها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترونهای اتم، انرژی خود را به آنها داده و خود از بین می‌رود. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.

بعد از برخورد، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا می‌شود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده می‌شود، متفاوت خواهد بود.

ویژگی‌های فیزیکی فوتون

فتون ذره‌ای بدون بار وبدون جرم وپایدار می‌باشد که دارای دو نوع پولاریزه ممکن با سه پارامتر پیوسته است که مولفه‌های بردار موج ان می‌باشند و طول موج ومسیر انتشار فوتون را مشخص می‌کنند فوتون از دیدگاه الکترو مغناطیسی بوزون محسوب میشودو بقیه اعداد کوانتومی ان مانند عدد لبتونی وباریونی ورنگ و.. صفر می‌باشد فوتون تقریبا از هر فرایند طبیعی ساطع می‌شود مانند زمانی که باری شتاب بگیرد یا مولوک یا اتمی به ترازی پایین تر سقوط کند در فضای خلا فوتون با سرعت c یا همان سرعت نور حرکت می‌کند و برای انرژی ان رابطه روبرو تعریف شده است که اولین بار توسط پلانگ ارایه شد E=c*h/landa=h*frequency که در ان h ثابتی است تجربی که توسط پلانگ اولین بار محاسبه شد فوتون همچنین دارای تکانه زوایه‌ای اسپینی نیز می‌باشد که به فرکانس نور وابست نیست و دارای اندازه مجذور ۲ ضرب در ثابت h می‌باشد و دارای فقط دو راستا می‌باشد که با علامت‌های منفی و یا مثبت مشخص می‌شود

تائیدی دیگر بر وجود فوتون

نمایی از چگونگی انجام آزمایش پدیده کامپتون.

آزمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را به‌صورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایش است که توسط کامپتون انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتونها توسط مواد مختلف پراکنده می‌شود. به بیان دیگر، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریباً آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملاً تطابق داشت.

جرم فوتون

در نظریه ذره‌ای نور، نور از ذراتی بنام فوتون تشکیل شده که با سرعت ۲۹۹،۷۹۲،۴۵۸ متر بر ثانیه یا c در خلا منتشر می‌شوند.
برای هر فوتون اندازه حرکتی (momentum) معادل p = h/λ معرفی شده که در آن h ثابت پلانک و λ طول موج فوتون است. در این نظریه فوتون جرم ندارد و جرم سکون آن صفر است، اما جرم معادل با انرژی آن برابر است: m = E/c² = hν/c² = h/λc

منابع

fundamentals of photonics,saleh

• Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics by Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc, and Gilbert Grynberg, Publisher: Wiley, 1997
• Quantum Physics by Stephen Gasiorowicz, Publisher: Wiley, 2003