بیگ بنگ: مي‌دانيم كه نور ماهيت موجي دارد. اما رفتارهاي ديگري از نور نيز مشاهده شده‌اند كه بر پايه‌ي آنها، نور به صورت سِيلي از ذرات منتشر مي‌شود. مثلاً اگر در عكس‌برداري از نقش تداخل، به مدت چشمگيري از يك پرتو بسيار ضعيف تك‌فام، و يك تقويت‌كننده‌ي الكترونيكي، استفاده شود، در آغاز كار، نقش به صورت يكنواخت و نهايي خود، ظاهر نمي‌شود. بلكه ابتدا يك لكه در يك نقطه، و سپس لكه‌هاي ديگر در نقاط ديگر، ظاهر مي‌شوند و به تدريج به شكل نهايي خود مي‌رسند. پس از شكل‌گيري كامل نقش، بيشترين تعداد لكه‌ها در منطقه‌هاي با شدت ماكزيمم ظاهر مي‌شوند و در مناطق با شدت صفر، لكه‌اي مشاهده نمي‌شود. اين رفتار نشانگر اين است كه در امواج نوراني، انرژي نه يك جريان پيوسته، بلكه مجموعه‌اي گسسته از بسته‌هاي مجزاي انرژي كوانتيده است. اين بسته‌ها را كوانتوم يا فوتون مي‌نامند. در عكاسي عادي چنين آثاري مشاهده نمي‌شوند زيرا، به يك‌باره لكه‌هاي بي‌نهايت زيادي ظاهر مي‌شوند.

به گزارش بیگ بنگ، 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 لپتوني 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 كوانتش انرژي را اولين بار ماكس‌پلانك، دانشمند آلماني در سال 1900 بيان كرد. وي از اين مفهوم در محاسباتي استفاده كرد كه هدف آن پيشگويي چگونگي توزيع انرژي بين طول‌ موج‌هاي مختلفي بود كه از اجسام داغ (تابش جسم سياه) گسيل مي‌شوند. 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.  اينشتين دريافت كه كوانتش چيزي بيشتر از يك روش محاسباتي، و در واقع يكي از جنبه‌هاي اساسي ماهيت نور است. وي از اين مفهوم در تجزيه‌ و تحليل اثر فوتوالكتريك يعني فرايند آزاد شدن الكترون از سطح رساناهاي واقع در معرض تابش نور، استفاده كرد. اينشتين نظر داد كه در سطح يك رسانا، يك الكترون با جذب فوتون، انرژي كافي براي فرار از سطح را به دست مي‌آورد. 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.

 بر اساس فرض اينشتين، انرژي يك فوتون (E)، تنها متناسب است با بسامد نور (f) و ضريب تناسب (h) كه بعدها h را ثابت پلانك ناميدند. در واقع داريم:

(انرژي يك فوتون)        E = hf = hc/λ

كه در آن c  و    λ=c/f   به ترتيب، تندي انتشار و طول موج نور درخلاء هستند.

اندازه‌گيري‌هاي متعدد بعدي طيف‌هاي نشري جسم سياه و آثار فوتوالكتريك، صحت مفهوم فوتون را تأييد كردند و به فيزيك‌دانان امكان دادند تا ثابت پلانك را اندازه‌ بگيرند كه اندازه‌ي آن برابر است با 6.626 ضرب‌در ده به توان منفي 34 ژول بر ثانيه است.

بنابراين نور دريك زمان، هر دو جنبه‌ي ممتاز موجي و ذره‌اي را دارد. در ايجاد نقش پراش، نور نظير صوت و امواج منتشر بر سطح آب، ويژگي موجي دارد. اما اگر نقش را با دقت بيشتري بررسي كنند، معلوم مي‌شود كه نور از فوتو‌ن‌هاي شبه ذره تشكيل شده است. اين دوگانگي نه تنها در نور مرئي، بلكه در سراسر طيف امواج الكترومغناطيسي مشاهده مي‌شود. در بعضي آزمايش‌ها اين، و در ديگري آن جنبه‌ي نور نقش مسلط دارد، اما اساساً هر دو جنبه در همه‌ي احوال، وجود دارند. در نور مرئي، طبيعت ذره‌اي چندان آشكار نيست. در واقع كوانتش در نور مرئي بارز نيست، زيرا هر فوتون انرژي ناچيزي دارد. اما در پرتوي گاما كه بسامد، به مراتب زيادتر از نور مرئي است، جنبه‌ي ذره‌اي حاكم است. مثلاً در واپاشي كبالت 60 كه پرتوزا است، فوتون گامايي با انرژي 2.135 ضرب‌در ده به توان منفي 13 ژول گسيل مي‌دارد.

اگر همين انرژي فوتون را تقسيم بر ثابت پلانك كنيم، بسامدي حدود يك ميليون برابر بسامد نورهاي مرئي به دست مي‌آيد. كه حال اگر طول موج آن را محاسبه كنيم، يعني در واقع سرعت نور را تقسيم بر بسامد به دست آمده كنيم، مشخص مي‌شود كه جنبه‌ي ذره‌اي فوتون گاما بيشتر از فوتون نور مرئي است. زيرا انرژي يك فوتون گاما تقريباً يك ميليون برابر انرژي فوتون نور مرئي است. به دليل همين انرژي زياد، مي‌توان اين فوتون‌ها را به آساني به كمك يكي از انواع متعدد شمارگرها، مثلاً گايگر با آشكارساز حالت جامد، آشكار كرد. در مقابل مشاهده‌ي جنبه‌ي موجي نور مرئي در نقش تداخل، آسان است. اما مشاهده‌ي نقش تداخل پرتو گاما با طول موج مشخص‌شده در بالا بسيار مشكل است.

تكانه‌ي فوتون‌ها و ذرات

هر ذره‌ي مادي داراي انرژي جنبشي، تكانه نيز دارد. فوتون‌ها نيز تكانه دارند. اينشتين در بخشي از نظريه‌ي نسبيتي خاص، نشان داد كه اندازه‌ي تكانه‌ي فوتوني، با انرژي فوتون در رابطه‌ي زير صادق است:

E = pc

كه با استفاده از رابطه‌ي c = λf   مي‌توان نوشت:

P = E/c  =  hf/c  =  h/λ

كه جهت بردار p با جهت انتقال موج الكترومغناطيسي يكي است.

فشار تابشي با تكانه‌ي امواج الكترومغناطيسي همراه است. رابطه‌ي بالا نشان مي‌دهد كه اين تكانه، كوانتيده است. مي‌دانيم كه فشار يك گاز بر ديواره‌ي ظرف خود، حاصل تغيير تكانه‌ي مولكول‌هاي گاز در اثر برخورد با ديواره‌ي ظرف است. فشار تابشي وارد بر يك سطح نيز، نتيجه‌ي تغيير تكانه‌ي فوتون‌هايي است كه به سطح برخورد مي‌كنند. اين فوتون‌ها يا جذب سطح شده يا از آن بازتاب مي‌يابند.

گفتيم كه امواج الكترومغناطيسي، خواص شبه ذره‌اي دارند و اندازه‌ي تكانه‌ي آنها از رابطه‌ي بالا به دست مي‌آيد. طبيعت، سرشار از تقارن‌هاي زيبا است. در سال 1924، لويي دوبروي فيزيك‌دان فرانسوي، مشابه آنچه در بالا گفته شد نظر داد كه هم امواج الكترمغناطيسي و هم ذرات، طبيعت مضاعف ذره‌اي‌ـ موجي دارند. اگر p=h/λ در مورد ذراتي نظير الكترون يا فوتون صادق است، در اين صورت بايد هر ذره‌ي متحرك داراي يك طول موج باشد.

در سال 1927، كلينتون داويسون، فيزيك‌دان آمريكايي و لستر جرمر، اثرات تداخل را در يك باريكه‌‌اي از الكترون‌هاي پراكنده از بلور نيكل مشاهده كردند و به درستي، آن را به طبيعت موجي الكترون نسبت دادند. اندازه‌گيري‌هاي انجام شده به كمك اين نقش تداخل‌ها امكان داد كه طول موج الكترون را به دست آورند و نظريه‌ي دوبروي را مستقيماً مورد تأييد قرار دهند. اكنون باريكه‌ي الكترون، به وفور در ميكروسكوپ‌هاي الكتروني به كار مي‌رود. كوتاهي طول موج الكترون، امكان ديدن اجزاي به مراتب كوچك‌تر از طول موج نور مرئي (يعني خارج از گستره‌ي دقت ميكروسكوپ‌هاي نوري) را فراهم مي‌كند.

تعداد فوتون‌ها در جهان يك كميت پايسته نيست و فوتون‌ها در فرايندهاي متعددي ايجاد شده و يا از بين مي‌روند. اين دائمي‌ نبودن، وجه تمايز فوتون‌ از ذرات ديگر، نظير الكترون است كه آن را وجودي جاويدان مي‌پندارند. اما الكترون و همچنين ساير ذرات را نيز مي‌توان ايجاد يا نابود كرد. به شرط اينكه گستره‌ي ارزشمندي قوانين پايستگي انرژي، تكانه، تكانه‌ي زاويه‌اي، بار الكتريكي و امثال آن خدشه‌دار نشوند. به اين ترتيب تفاوتي بين فوتون و ساير ذرات موجود در طبيعت نيست. هر ذره‌ مشخصه‌ها و نوع برهم‌كنش خاص خود را دارد و همه با يك زبان عام، مشترك بيان مي‌شوند.

 نویسنده: اسماعیل جوکار / سایت علمی بیگ بنگ

 منابع:  فيزيك دانشگاهي، جلد چهارم: نور و فيزيك مدرن،  نوشته‌ي سرز و زيمانسكي، هيو يانگ و راجر فريدمن، ويراست دهم، ترجمه‌ي دكتر فضل‌اله فروتن

ويكي‌پدياي فارسي