فوتون ، موج یا ذره؟

می‌دانیم که نور ماهیت موجی دارد. اما رفتارهای دیگری از نور نیز مشاهده شده‌اند که بر پایه‌ی آنها، نور به صورت سِیلی از ذرات منتشر می‌شود. مثلاً اگر در عکس‌برداری از نقش تداخل، به مدت چشمگیری از یک پرتو بسیار ضعیف تک‌فام، و یک تقویت‌کننده‌ی الکترونیکی، استفاده شود، در آغاز کار، نقش به صورت یکنواخت و نهایی خود، ظاهر نمی‌شود. بلکه ابتدا یک لکه در یک نقطه، و سپس لکه‌های دیگر در نقاط دیگر، ظاهر می‌شوند و به تدریج به شکل نهایی خود می‌رسند. پس از شکل‌گیری کامل نقش، بیشترین تعداد لکه‌ها در منطقه‌های با شدت ماکزیمم ظاهر می‌شوند و در مناطق با شدت صفر، لکه‌ای مشاهده نمی‌شود. این رفتار نشانگر این است که در امواج نورانی، انرژی نه یک جریان پیوسته، بلکه مجموعه‌ای گسسته از بسته‌های مجزای انرژی کوانتیده است. این بسته‌ها را کوانتوم یا فوتون می‌نامند. در عکاسی عادی چنین آثاری مشاهده نمی‌شوند زیرا، به یک‌باره لکه‌های بی‌نهایت زیادی ظاهر می‌شوند.

 

به گزارش دنفر، فوتون در فیزیک، یک ذره بنیادی است که به‌عنوان واحد کوانتومی نور و یا هر نوع تابش الکترومغناطیسی محسوب می‌شود. فوتون نماینده حامل‌های نیرو برای نیروی الکترومغناطیسی است که اثر این نیرو به راحتی هم در سطح ماکروسکپی و هم در سطح میکروسکپی قابل مشاهده است. مانند بقیه ذرات بنیادی بهترین تعریف از فوتون توسط مکانیک کوانتومی ارائه می‌شود؛ که نشان‌دهنده ویژگی دوگانگی ذره و موج است. فوتون دارای اسپین یک است، یعنی از لحاظ ذره‌ای بوزون به حساب می‌آید.

فوتون ذره‌ای بدون بار و بدون جرم و پایدار می‌باشد که دارای دو نوع پولاریزه ممکن با سه پارامتر پیوسته است که مولفه‌های بردار موج آن می‌باشند و طول موج و مسیر انتشار فوتون را مشخص می‌کنند. فوتون از دیدگاه الکترومغناطیسی بوزون محسوب می‌شود و بقیه اعداد کوانتومی آن مانند عدد لپتونی وباریونی و رنگ و.. صفر می‌باشد. فوتون تقریباً از هر فرایند طبیعی ساطع می‌شود، مانند زمانی که باری شتاب بگیرد یا مولکول یا اتمی به ترازی پایین‌تر سقوط کند. در فضای خلأ فوتون با سرعت c یا همان سرعت نور حرکت می‌کند و این سرعت می‌تواند در محیط‌های گوناگون تغییر کند. سرعت نور در مایعات کمتر از خلاء و در جامدات نیز کمتر از مایعات می‌باشد. تغییر سرعت نور پدیده شکست نور را باعث می‌شود. میزان شکست نور در هنگام عبور از محیطهای گوناگون به طول موج نور نیز بستگی دارد. در این وضعیت باید رفتار موجی نور را در نظر گرفت. فوتون همچنین دارای تکانه زوایه‌ای اسپینی نیز می‌باشد که به فرکانس نور وابسته نیست و کلاً برای گروهی از ذرات بنیادی که اصطلاحاً بوزون نام دارند مقداری معادل h/2π دارد که با نماد ħ معروف به اچ بار یا اچ خط نشان داده می‌شود، ضمناً برای هر اسپین دو راستای مختلف وجود دارد که با علامت‌های منفی و یا مثبت قبل از مقدار اسپین مشخص می‌شود.

 تعریف مدرن ازخصوصیات فوتون اولین بار توسط آلبرت اینشتین ارائه شد که علت آن 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 ارائه کرد که در آن با اینکه نور به عنوان موج توسط روابط ماکسول تعریف می‌شد ولی برای مقدار انرژی مقدارهای کوانتیده‌ای در نظر گرفته‌می‌شد که این مقدارها برابر کوانتوم‌های انرژی فوتون‌ها بودند که خود این مدل نیمه کلاسیک بعداً پایه‌های 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 را که با سرعت معمولی در حال حرکت باشد 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 استفاده از این اصل می‌توان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند.

مفهوم کوانتش انرژی را اولین بار ماکس‌پلانک، دانشمند آلمانی در سال ۱۹۰۰ بیان کرد. وی از این مفهوم در محاسباتی استفاده کرد که هدف آن پیشگویی چگونگی توزیع انرژی بین طول‌ موج‌های مختلفی بود که از اجسام داغ (تابش جسم سیاه) گسیل می‌شوند. 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.

ماکس پلانک (Max Planck)

پنج سال بعد از پلانک، آلبرت اینشتین توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند.  اینشتین دریافت که کوانتش چیزی بیشتر از یک روش محاسباتی، و در واقع یکی از جنبه‌های اساسی ماهیت نور است. وی از این مفهوم در تجزیه‌ و تحلیل اثر فوتوالکتریک یعنی فرایند آزاد شدن الکترون از سطح رساناهای واقع در معرض تابش نور، استفاده کرد. اینشتین نظر داد که در سطح یک رسانا، یک الکترون با جذب فوتون، انرژی کافی برای فرار از سطح را به دست می‌آورد. 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.

آلبرت اینشتین

 بر اساس فرض اینشتین، انرژی یک فوتون (E)، تنها متناسب است با بسامد نور (f) و ضریب تناسب (h) که بعدهاh را ثابت پلانک نامیدند. در واقع داریم:

(انرژی یک فوتون)        E = hf = hc/λ

که در آن c  و    λ=c/f   به ترتیب، تندی انتشار و طول موج نور درخلاء هستند.

اندازه‌گیری‌های متعدد بعدی طیف‌های نشری جسم سیاه و آثار فوتوالکتریک، صحت مفهوم فوتون را تأیید کردند و به فیزیک‌دانان امکان دادند تا ثابت پلانک را اندازه‌ بگیرند که اندازه‌ی آن برابر است با ۶٫۶۲۶ ضرب‌در ده به توان منفی ۳۴ ژول بر ثانیه است.

بنابراین نور دریک زمان، هر دو جنبه‌ی ممتاز موجی و ذره‌ای را دارد. در ایجاد نقش پراش، نور نظیر صوت و امواج منتشر بر سطح آب، ویژگی موجی دارد. اما اگر نقش را با دقت بیشتری بررسی کنند، معلوم می‌شود که نور از فوتو‌ن‌های شبه ذره تشکیل شده است. این دوگانگی نه تنها در نور مرئی، بلکه در سراسر طیف امواج الکترومغناطیسی مشاهده می‌شود. در بعضی آزمایش‌ها این، و در دیگری آن جنبه‌ی نور نقش مسلط دارد، اما اساساً هر دو جنبه در همه‌ی احوال، وجود دارند. در نور مرئی، طبیعت ذره‌ای چندان آشکار نیست. در واقع کوانتش در نور مرئی بارز نیست، زیرا هر فوتون انرژی ناچیزی دارد. اما در پرتوی گاما که بسامد، به مراتب زیادتر از نور مرئی است، جنبه‌ی ذره‌ای حاکم است. مثلاً در واپاشی کبالت ۶۰ که پرتوزا است، فوتون گامایی با انرژی ۲٫۱۳۵ ضرب‌در ده به توان منفی ۱۳ ژول گسیل می‌دارد.

اگر همین انرژی فوتون را تقسیم بر ثابت پلانک کنیم، بسامدی حدود یک میلیون برابر بسامد نورهای مرئی به دست می‌آید. که حال اگر طول موج آن را محاسبه کنیم، یعنی در واقع سرعت نور را تقسیم بر بسامد به دست آمده کنیم، مشخص می‌شود که جنبه‌ی ذره‌ای فوتون گاما بیشتر از فوتون نور مرئی است. زیرا انرژی یک فوتون گاما تقریباً یک میلیون برابر انرژی فوتون نور مرئی است. به دلیل همین انرژی زیاد، می‌توان این فوتون‌ها را به آسانی به کمک یکی از انواع متعدد شمارگرها، مثلاً گایگر با آشکارساز حالت جامد، آشکار کرد. در مقابل مشاهده‌ی جنبه‌ی موجی نور مرئی در نقش تداخل، آسان است. اما مشاهده‌ی نقش تداخل پرتو گاما با طول موج مشخص‌شده در بالا بسیار مشکل است.

تکانه‌ی فوتون‌ها و ذرات

هر ذره‌ی مادی دارای انرژی جنبشی، تکانه نیز دارد. فوتون‌ها نیز تکانه دارند. اینشتین در بخشی از نظریه‌ی نسبیتی خاص، نشان داد که اندازه‌ی تکانه‌ی فوتونی، با انرژی فوتون در رابطه‌ی زیر صادق است:

E = pc

که با استفاده از رابطه‌ی c = λf   می‌توان نوشت:

P = E/c  =  hf/c  =  h/λ

که جهت بردار p با جهت انتقال موج الکترومغناطیسی یکی است.

فشار تابشی با تکانه‌ی امواج الکترومغناطیسی همراه است. رابطه‌ی بالا نشان می‌دهد که این تکانه، کوانتیده است. می‌دانیم که فشار یک گاز بر دیواره‌ی ظرف خود، حاصل تغییر تکانه‌ی مولکول‌های گاز در اثر برخورد با دیواره‌ی ظرف است. فشار تابشی وارد بر یک سطح نیز، نتیجه‌ی تغییر تکانه‌ی فوتون‌هایی است که به سطح برخورد می‌کنند. این فوتون‌ها یا جذب سطح شده یا از آن بازتاب می‌یابند.

گفتیم که امواج الکترومغناطیسی، خواص شبه ذره‌ای دارند و اندازه‌ی تکانه‌ی آنها از رابطه‌ی بالا به دست می‌آید. طبیعت، سرشار از تقارن‌های زیبا است. در سال ۱۹۲۴، لویی دوبروی فیزیک‌دان فرانسوی، مشابه آنچه در بالا گفته شد نظر داد که هم امواج الکترمغناطیسی و هم ذرات، طبیعت مضاعف ذره‌ای‌ـ موجی دارند. اگر p=h/λ در مورد ذراتی نظیر الکترون یا فوتون صادق است، در این صورت باید هر ذره‌ی متحرک دارای یک طول موج باشد.

لویی دوبروی

در سال ۱۹۲۷، کلینتون داویسون، فیزیک‌دان آمریکایی و لستر جرمر، اثرات تداخل را در یک باریکه‌‌ای از الکترون‌های پراکنده از بلور نیکل مشاهده کردند و به درستی، آن را به طبیعت موجی الکترون نسبت دادند. اندازه‌گیری‌های انجام شده به کمک این نقش تداخل‌ها امکان داد که طول موج الکترون را به دست آورند و نظریه‌ی دوبروی را مستقیماً مورد تأیید قرار دهند. اکنون باریکه‌ی الکترون، به وفور در میکروسکوپ‌های الکترونی به کار می‌رود. کوتاهی طول موج الکترون، امکان دیدن اجزای به مراتب کوچک‌تر از طول موج نور مرئی (یعنی خارج از گستره‌ی دقت میکروسکوپ‌های نوری) را فراهم می‌کند.

تعداد فوتون‌ها در جهان یک کمیت پایسته نیست و فوتون‌ها در فرایندهای متعددی ایجاد شده و یا از بین می‌روند. این دائمی‌ نبودن، وجه تمایز فوتون‌ از ذرات دیگر، نظیر الکترون است که آن را وجودی جاویدان می‌پندارند. اما الکترون و همچنین سایر ذرات را نیز می‌توان ایجاد یا نابود کرد. به شرط اینکه گستره‌ی ارزشمندی قوانین پایستگی انرژی، تکانه، تکانه‌ی زاویه‌ای، بار الکتریکی و امثال آن خدشه‌دار نشوند. به این ترتیب تفاوتی بین فوتون و سایر ذرات موجود در طبیعت نیست. هر ذره‌ مشخصه‌ها و نوع برهم‌کنش خاص خود را دارد و همه با یک زبان عام، مشترک بیان می‌شوند.

منابع:  فیزیک دانشگاهی، جلد چهارم: نور و فیزیک مدرن،  نوشته‌ی سرز و زیمانسکی، هیو یانگ و راجر فریدمن، ویراست دهم، ترجمه‌ی دکتر فضل‌اله فروتن