فوتون
license
98
3024
100
معنی کلمه فوتون
معنی واژه فوتون
photon
|
فوتون
معنی:
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.
محتویات
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.
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
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
ن • ب • و
ذرات بنیادی در فیزیک
ذرات بنیادی اولیه
فرمیونها: کوارکها: u • d • s • c • b • t • لپتونها: ν
e • ν
e • ν
μ • ν
μ • ν
τ • ν
τ • e- • e+ • μ- • μ+ • τ- • τ+
بوزونها: بوزونهای تبادلگر نیرو: γ • g • W± • Z0
دیگر: ارواح
ذرات ترکیبی
هادرونها: باریونها(فهرست)/هیپرون/هسته: p • n • Δ • Λ • Σ • Ξ • Ω • Ξb • مزونها(فهرست)/کوارکونیومها: π • K • ρ • J/ψ • Υ
ردههای صفحه: فوتونها فیزیک نوین فیزیک نور فیزیک ذرات بنیادی
از ویکی پدیا
قس عربی
الفوتون (بالإنجلیزیة: Photon) هو الجسیم الأولی المسؤول عن الظواهر الکهرومغناطیسیة والوحدة الأساسیة للضوء وجمیع أشکال الاشعاع الکهرومغنطیسی الأخرى. یحمل الفوتون موجات کل أشکال الإشعاع الکهرومغناطیسی کما أنه ناقل القوة للقوة الکهرومغنطیسیة. ویختص بکونه معدوم کتلة السکون، ومعدوم الشحنة الکهربائیة، بالإضافة لکونه یتنقل فی الفراغ بسرعة الضوء.
إن المفهوم الحدیث للفوتون کان قد طور تدریحیا من قبل البرت اینشتین لما لاحظ من التجارب وجود اختلاف عن النموذج الکلاسیکی للموجة کان من أهمها اعتمادیة طاقة الضوء على تردد الفوتون، اتزان المادة والاشعاع حراریا وخواص اشعاع الجسم الأسود.
أما فی النموذج المعیاری الحدیث لفیزیاء الجسیمات، فإن الفوتونات تمثل نتاجا هاما للقوانین الفیزیائیة التی لها تماثل معین فی کل نقطة من الزمکان.
لقد قاد مفهوم الفوتون إلى تقدم مفاجئ فی الفیزیاء النظریة والتجریبیة مثل اللیزر، نظریة الحقل الکمی، وإحصاء بوز-آینشتین. فی الوقت الحاضر هناک دراسات حول الفوتونات کعناصر لحواسیب الکم والتطبیقات المعقدة فی الاتصالات الضوئیة مثل علم التشفیر الکمی.
کبقیة الجسیمات فی میکانیکا الکم، یتصرف الفوتون على أنه موجة أو جسیم (مثنویة موجة-جسیم)، وهو یختزن کمًا محددًا من الطاقة حسب المعادلة:
،
حیث هو ثابت بلانک، و سرعة الضوء، و طول الموجة.
محتویات
1 تطور تاریخی
1.1 اکتشاف الفوتون
2 الفوتون فی الفراغ
3 کیف ینشأ الفوتون
4 التسمیة
5 الخصائص الفیزیائیة
5.1 الکتلة
6 انظر أیضاً
7 وصلات خارجیة
8 ملاحظات
9 المصادر والمراجع
تطور تاریخی
النموذج العیاری لفیزیاء الجسیمات
النموذج العیاری
الخلفیة
الأسس
التقییدات
العلماء
عرض • نقاش • تعدیل
مقال تفصیلی :ضوء
أظهرت تجربة الشق المضاعف لتوماس ینغ فی 1805 أن الضوء یمکن أن یتصرف مثل الموجة, مساندة بذلک فی هزیمة نظریات الجسیم المبکرة للضوء.
کانت أغلب النظریات حتى القرن الثامن عشرتصف الضوء على أنه ناشئ عن جسیمات. أحد هذه النظریات المبکرة کانت قد وصفت فی کتاب البصریات (1021) لابن الهیثم, الذی اعتبر أن أشعة الضوء عبارة عن تیارات من جسیمات صغیرة جداً والتی تفتقر لکل المؤهلات الحسیة عدا الطاقة. کان هذا رأی اسحق نیوتن أیضا فی طبیعة الضوء. لما کانت نماذج الجسیم غیر قادرة على تفسیر الانکسار, الحیود والانکسار المزدوج للضوء, فقد تم اقتراح نظریات الموجة للضوء من قبل رینیه دیکارت (1637), روبرت هوک (1665), وکریستیان هایغنز (1678); ,بالرغم من ذلک, ظلت نماذج الجسیم هی الغالبة, بشکل رئیسی لتأثیر إسحق نیوتن. فی أوائل القرن التاسع عشر, شرح کل من توماس ینغ وفرسنل أوغست بوضوح عملیة تداخل وانکسار الضوء ومع العام 1850 تم قبول نماذج الموجة عموما. فی 1865, تنبؤات جیمس کلرک ماکسویل بأن الضوء عبارة عن موجة کهرطیسیة والذی تأکد تقریبا فی 1888 بواسطة تحسس موجات الرادیو من قبل هنریک هیرتز—بدا أنها آخر صیحة لنماذج الضوء الجسیمیة.
فی 1900, ماکسویل النموذج النظری للضوء على أنه تذبذب مجالین کهربائی ومغناطیسی بدت مکتملة. مع ذلک, العدید من الملاحظات لم یکن ممکنا تفسیرها بأی نموذج موجی من الإشعاع الکهرومغنطیسی, وهذا ادى للفکرة القائلة بأن طاقة الضوء کانت قد رزمت فی کمّات الموصوف بالعلاقة E=hν. بینت تجارب لاحقة أن کمات الضوء هذه تحمل أیضا کمیة تحرک وعلیه, یمکن اعتبارها جسیمات: ولد مفهوم الفوتون, مؤدیا إلى تفهم عمیق للمجالات الکهربائیة والمغنطیسیة نفسها.
إن نظریة الموجة لماکسویل, مع ذلک, لا تحسب حسابا لجمیع خصائص الضوء. تتنبأ نظریة ماکسویل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على شدتها، لیس على ترددها، على الرغم من أن أنواع عدیدة من التجارب المستقلة تظهر أن الطاقة الممنوحة بالضوء للذرات تعتمد على تردد الضوء فقط ولیس شدته. على سبیل المثال, بعض التفاعلات الکیمیائیة یتم إثارتها فقط عن طریق ضوء بتردد أعلى من حد معین. إذا کان هذا الضوء ذا تردد أقل فمهما بلغت شدته لا یحفز التفاعل. بالمثل, بالإمکان نزع الکترونات من صفیحة معدنیة بتسلیط ضوء ذی تردد عالی بقدر کاف علیها (تأثیر کهروضوئی); تتعلق طاقة الالکترونات المنتزعة بتردد الضوء فقط، ولیس الشدة..1
اکتشاف الفوتون
یمکن تلخیص أبرز الاحداث التاریخیة فی اکتشاف الفوتون کما یلی:
1900 : وصف الفیزیائی ماکس بلانک الضوء وکل أشکال الطاقة الاشعاعیة بانها تیارات من جسیمات تسمى کمات وکل کم من الطاقة حزمة ولا یمکن تقسیمها ،والفوتون کم من الطاقة الکهرومغنطیسیة
1902 : العالم الفیزیائی فیلیب أنتون لینارد یلاحظ ان کمیة الطاقة المعطاة لإلکترون اعتمدت فقط على لون الضوء الذی سطع على القطب الکهربائی
1905 :العالم الفیزیائی البرت اینشتاین یتوصل إلى ان طاقة الفوتون تعتمد على طولها الموجی أو ترددها ؛فمثلا فوتون الضوء بنفسجی (لون) له طاقة أعلى من فوتون الضوء الأحمر لأن ضوء بنفسجی (لون) له تردد أعلى مما للضوء الأحمر
1922 : العالم الفیزیائی أرثر کمبتون وحسب اکتشاقه المعروف بتأثیر کمبتون هو دلیل قوی على أن الفوتونات هی فی الواقع جسیمات فعندما تصطدم فوتونات الأشعة السینیة مع الالکترونات ینحرف کلا الجسیمین من ممرهما المبدئی ویعطی فوتون الأشعة سینیة بعض طاقته للإلکترون ؛ ونتیجة لذلک یسقط فوتون الأشعة السینیة على تردد أقل.
الفوتون فی الفراغ
یتحرک الفوتون فی الفراغ بسرعة الضوء 299792458 متر/ثانیة وسرعته ثابته لا تتغیر إلا إذا دخل وسطا آخر مثل الزجاج.
وبصفته کمیة طاقة تعتمد طاقته على ثابت بلانک وتعطى بالعلاقة :
حیث:
تردد موجة الفوتون
ونعطی هنا مثالا عددیا لفوتون معهود من الفوتونات الضوئیة:
,
حیث:
طاقة الفوتون بالإلکترون فولت eV
: التردد الزاوی (1/ثانیة).
فإذا کان التردد الزاوی : (فی الثانیة) ω = 1,520 • 1015
تکون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وهذه طاقة شعاع ضوء فی منطقة طیف الأشعة تحت الحمراء.
کما یمکن حساب طاقة الفوتون بمعرفة طول موجته، من المعادلة:
حیث:
λ طول موجة الفوتون بالمیکرومتر
فإذا کانت طول موجة الفوتون تساوی= 1,240 میکرومتر فهی تساوی 1240 نانومتر
وتکون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وللمقارنة فإن شعاع ضوء ذو طول موجة 620 نانومتر یکون لونه برتقالی، وبالتالى تکون طاقته = 2 إلکترون فولت.
والفوتون یتحرک باستمرار بسرعة الضوء ولا یوجد فی حالة سکون، لذلک فله کمیة حرکة وهی تعطى بالعلاقة التالیة الناتجة عن میکانیکا الکم :
کیف ینشأ الفوتون
ینشأ الفوتون الضوئی فی الذرة عندما یقفز أحد إلکترونات الذرة من مستوی طاقة علوی إلى مستوی طاقة سفلی، عندئذ یطلق الإلکترون فارق الطاقة على هیئة فوتونا له تردد محدد.
ینشا الفوتون الضوئی فی الغلاف الذری الإلکترونی عندما تثار الذرة بفعل الحرارة مثلا ویصبح أحد الإلکترونات فی مستوی طاقة للذرة عال، ولا یستطیع الإلکترون البقاء فی ذلک المستوی فسرعان ما یقفز إلى مستوی طاقة سفلی ویطلق فارق الطاقة فی هیئة فوتون (شعاع ضوء) له تردد محدد أو ذی طول موجة محددة.
فذرة الصودیوم على سبیل المثال تطلق عند الإثارة شعاعی ضوء تبلغ طول موجتهما 589 نانومتر و 590 نانومتر. ویقع هذان الشعاعان فی منطقة اللون الأصفر للطیف، هذان الشعاعان هما فوتونان.
وطیف الزئبق یصدر خطین من الفوتونات طول موجتیهما 579 و 577 نانومتر یقعان فی منطقة الضوء الأصفر وخط ثالث ذو طول موجة 546 نانومتر وهذا یقع فی منطقة الضوء الأخضر.
وکل من هذه الفوتونات ینشأ عندما یقفز أحد الإلکترونات من مستوی للطاقة عال إلى مستوی منخفض. وتصل طاقة هذه الفوتونات بین 5و0 و 6و0 إلکترون فولت (أی أقل من 1 إلکترون فولت).
وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن أشعة کهرطیسیة، بعضها یمکن رؤیته وینتمی إلى أشعة الضوء المرئی، والبعض الآخر یمکن أن یظهر فی هیئة شعاع من الأشعة السینیة ذات الطاقة العالیة وبالتالی فلها درجة نفاذ عالیة. وتنشأ الأشعة السینیة عندما یقفز إلکترونا من مستوی عال فی الذرة إلى مکان شاغر فی الذرة بالقرب من النواة. فیکون فرق طاقتی المستویین بالغا ویصل إلى عدة مئات إلکترون فولت.
وهناک نوع من الفوتونات ذو طاقة عالیة جدا تبلغ عدة ملایین إلکترون فولت مثل اشعة جاما. هذه الفوتونات لا تنشأ فی الغلاف الذری للعناصر، وإنما تصدر من نواة الذرة.
التسمیة
فی عام 1900م کان ماکس بلانک یعمل على مسألة إشعاع الجسم الأسود، وتوصل إلى أن الطاقة فی الأمواج الکهرومغناطیسیة لا یُمکن أن تنتشر إلا على شکل "حزم صغیرة" من الطاقة، أطلق علیها "الکموم" (جمع کم). لاحقا وفی عام 1905م ذهب ألبرت آینشتاین إلى أبعد من ذلک حین قال أن الأمواج الکهرومغناطیسیة لا یُمکن أن توجد إلا على شکل حزم طاقة. وقد أطلق علیها اسماً مشابهاً وهو "کموم الضوء". أما کلمة "فوتون" فقد اشتقت من الکلمة الإغریقیة "φως" (فوس) والتی تعنی "ضوء". وقد کان من ابتکر الکلمة هو الفیزیائی غلبرت لویس فی عام 1926، والذی نشر نظریة تخمینیة – غیر تجریبیة – حول أن "الفوتونات لا تستحدث ولا تفنى". وبالرغم من أن نظریة لویس لم تلاقی قبولاً لتعارضها مع العدید من التجارب العلمیة، إلى أن معظم الفیزیائیین استخدموا "فوتونه" الجدید مباشرة بعد طرح النظریة. حسب إسحاق أسیموف، آرثر کومبتون هو من عرّف "کموم الطاقة" بأنها "فوتونات" فی عام 1923..
وعادة ما یُشار فی الفیزیاء إلى الفوتون برمز "γ" (الحرف الإغریقی "غاما"). وربما استخدم هذا الرمز تیمّناً بأشعة غاما (والتی اکتشفها وأسماها الفیزیائی "باول فیلارد" فی عام 1990) لأنه تبیّن أنها من الأمواج الکهرومغناطیسیة فی عام 1914. فی الکیمیاء والهندسة البصریة یُرمز للفوتونات عادة بالرمز "hν"، حیث أن "h" هو ثابت بلانک و"ν" هو حرف إغریقی. ویوجد رمز أقل شیوعاً هو "hf".
الخصائص الفیزیائیة
الفوتون عدیم الکتلة (انظر أدناه) والشحنة الکهربائیة ولا یضمحل فی الفضاء الخالی. الفوتون هو البوزون الحامل للقوة الکهرومغناطیسیة، ونظریا کل الأعداد الکمیة الأخرى للفوتون (مثل عدد الباریون والأعداد الکمیة للنکهة) هی صفر.
العلاقة بین طاقة وزخم حرکة الفوتون هی "E = pc"، حیث أن "E" هی الطاقة و"p" هی مقدار متجه زخم الحرکة و"c" هی سرعة الضوء. طاقة وزخم حرکة الفوتون یعتمدان فقط إما على تردده (ν) أو بشکل مساو على طوله الموجی (λ):
حیث أن "K" هو "متجه الموجة" و"ω" هو التردد الزاوی و"ħ" هو ثابت بلانک.
وأیضا یملک الفوتون دورانا مغزلیا لا یعتمد على تردده. ومقدار دورانه هو
الکتلة
یُعتقد حالیاً أن الفوتون عدیم الکتلة السکونیة 2 تماما (کتلته السکونیة لیست قلیلة جدا بل هی لا شیء). لکن المشکلة هی أنه إذا کان الفوتون عدیم الکتلة فلا یُمکن أن یتحرک بسرعة "c" فی الفراغ، بل یجب أن تکون سرعته أقل وأن تعتمد على تردده. لکن فی الواقع التعبیر الشائع عن "c" بأنها سرعة تحرک الضوء هو خطأ، بل هی ثابت طبیعی یُمثل الحد الأقصى للسرعة التی یُمکن لأی جسم التحرک بها نظریا فی الزمکان. وهکذا فهی ما زالت سرعة الأمواج فی الزمکان (أمواج الجاذبیة والجاذبیة)، لکنها لیست سرعة الفوتونات.
انظر أیضاً
موجة کهرومغناطیسیة
ضوء.
طیف.
طیف کهرومغناطیسی.
لیزر.
تأثیر دوبلر.
استقطاب الفوتون.
فونون.
میکانیکا الکم.
بوزون قیاسی.
حامل قوة.
قوة کهرومغناطیسیة.
بوابة الفیزیاء
وصلات خارجیة
Thorn, JJ; Neel MS, Donato VW, Bergreen GS, Davies RE and Beck M. (2004). "Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory". American Journal of Physics 72: 1210–1219
Kimble, HJ; Dagenais M, and Mandel L. (1977). "Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence". Phys. Rev. Lett. 39: 691–695
What is a Photon? About Physics.
Measurement of the isolated photon cross section in proton-antiproton collisions at DØ
ملف أکروبات یحوی جداول لقیم غیج وبوزون
ملاحظات
^ ینبغی فهم أنها "بغض النظر عن کمیة الشدة" تشیر إلى کمیات شدتها تحت 1013 W/cm2 تقریبا والتی تبدأ عندها نقطة نظریة التشویش بالانهیار. المثیر للاهتمام فی موضوع الشدة, والذی یکون للضوء المرئی تقریبا فوق 1014 W/cm2, یتنبأ الوصف الکلاسیکی للموجة أن الطاقة المکتسبة بواسطة الإلکترونات, تدعى طاقة بندیرو الدافعة. إنظر أیضا . بالمقارنة, فإن ضوء الشمس لیس سوى 0.1 W/cm2.
^ أثبتت نظریة النسبیة الخاصة لآینشتاین أن کتلة الأجسام یُمکن أن تزید فی حال تحرکت بسرعة قریبة من سرعة الضوء. وعند 86% من سرعة الضوء تتضاعف الکتلة. ولذلک فقد وُلد مصطلحان للتعبیر عن الکتلة هما: الکتلة السکونیة، وهی کتلة الأجسام عندما تکون ثابتة. والکتلة الحرکیة، وهی کتلة الأجسام عندما تتحرک بما یقارب سرعة الضوء.
المصادر والمراجع
^ Official particle table for gauge and Higgs bosons Retrieved 24 October 2006
^ Rashed, R. (2007). "The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham". Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 17 (1): 7–55 . doi:10.1017/S0957423907000355. “فی کتابه البصریات أصغر أجزاء من الضوء, کما یسمیها, تحتفظ فقط بخصائص یمکن التعامل معها بالهندسة التحلیلیة والتحقق منها تجریبیاً.”
^ Descartes,R. (1637). Discours de la méthode (Discourse on Method). Imprimerie de Ian Maire. (فرنسیة)
^ Hooke,R. (1667). Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon.... London (UK): Royal Society of London. .
^ Huygens,C. (1678). Traité de la lumière. (فرنسیة). An ترجمة إنکلیزیة متوافرة من Project Gutenberg
^ Newton,I. (1952) . Opticks (4th ed.). Dover (NY): Dover Publications. Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29. ISBN 0-486-60205-2.
^ Buchwald,J.Z. (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. University of Chicago Press. ISBN 0-226-07886-8. OCLC 18069573.
^ Maxwell, J.C. (1865). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. doi:10.1098/rstl.1865.0008. تلى هذا المقال عرضاً تقدیمیا من ماکسویل فی 8 دیسمبر 1864 للجمعیة الملکیة.
^ Hertz, H. (1888). "Über Strahlen elektrischer Kraft". Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin) 1888: 1297–1307. (ألمانیة)
^ اعتماد التردد الإضاءة ص. 276f., التأثیر الکهروضوئی قسم 1.4 فی Alonso,M.
Finn,E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-00262-0.
^ Einstein, A. (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik 17: 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607. (ألمانیة). A partial English translation is available from Wikisource.
^ Lewis, G.N. (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874–875. doi:10.1038/118874a0.
^ Asimov,I. (1966). The Neutrino, Ghost Particle of the Atom. Garden City (NY): Doubleday. قالب:LCCN.
^ Asimov,I. (1966). The Universe From Flat Earth To Quasar. New York (NY): Walker. قالب:LCCN.
^ Villard, P. (1900). "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium". Comptes Rendus des Séances de lAcadémie des Sciences (Paris) 130: 1010–1012. (فرنسیة)
^ Villard, P. (1900). "Sur le rayonnement du radium". Comptes Rendus des Séances de lAcadémie des Sciences (Paris) 130: 1178–1179. (فرنسیة)
^ Rutherford, E.; Andrade, E.N.C. (1914). "The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B". Philosophical Magazine 27: 854–868.
^ Kobychev, V.V.; Popov, S.B. (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31: 147–151. doi:10.1134/1.1883345.
^ Role as gauge boson and polarization section 5.1 in Aitchison,I.J.R.
Hey,A.J.G. (1993). Gauge Theories in Particle Physics. IOP Publishing. ISBN 0-85274-328-9.
^ See p.31 in Amsler, C.; et al. (2008). "Review of Particle Physics". Physics Letters B667: 1–1340..
^ See section 1.6 in Alonso,M.
Finn,E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-00262-0.
^ Electromagnetic radiation is made of photons
^ David Mermin (February 1984). "Relativity without light". American Journal of Physics 52(2): 119–124.
Grangier, P; Roger G, and Aspect A. (1986). "Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences". Europhysics Letters 1: 501–504
Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. An excellent history of the photons early development
ع • ن • تکهرودینامیکا کمیة
تصنیفات: جسیمات أولیةفوتوناتبوزونات قیاسیةمفاهیم فیزیائیةکهرومغناطیسیةبصریاتکهرودینامیکا کمیة
قس اردو
نوریہ ؛ کو انگریزی میں photon کہا جاتا ہے اور جیسا کہ نام سے ظاہر ہے کہ یہ نور کے ذرات ہوتے ہیں یعنی ایسے بنیادی ذرات کہ جن سے ملکر روشنی وجود میں آتی ہے۔ طبیعیات میں اسکی تعریف یوں کی جاتی ہے کہ
نوریہ سے مراد ایک ایسے بنیادی ذرے کی ہوتی ہے کہ جو برقناطیسی مظہر کا باعث ہوتا ہے۔ یہ برقناطیسی تفاعلات میں ایک بنیادی کردار ادا کرتا ہے اور اسی کی وجہ سے تمام اقسام کی روشنی یا نور وجود پاتا ہے۔
ایک نوریہ کی نہ تبدیل ہونے والی یعنی یکساں کمیت (invariant mass) ، صفر ہوتی ہے اور یہ ایک مستقل رفتار c سے سفر طے کرتا ہے جو کہ ظاہر ہے کہ نور یا روشنی کی رفتار کہلاتی ہے۔ اگرچہ ایسا ہوسکتا ہے کہ کسی مادے کی موجودگی کے باعث اسکی رفتار میں کمی واقع ہوجاۓ (یعنی مختلف مادوں میں اسکی حرکت کی رفتار مختلف ہوسکتی ہے) اسکے علاوہ یہ بھی ممکن ہے کہ کسی مادے سے گذرتے ہوئے یہ اپنی تمام کی تمام توانائی منتقل کرتے ہوئے اپنی رفتار بالکل کھو بیٹھے اور اس مادے میں جذب ہوجاۓ ، ایسا کرتے وقت منتقل ہونے والی توانائی اس نوریہ کی اپنی توانائی اور اسکے معیار حرکت (momentum) کے تناسب سے ہوتی ہے۔ دیگر تمام quanta کی طرح ، نوریہ میں بھی مــوجـی اور ذراتی دونوں اقسام کے خواص پائے جاتے ہیں یعنی یہ ایک طرح سے موجی ذراتی ثنویت یا wave-particle duality کا حامل ذرہ ہے۔
وجہ تسمیہ
انگریزی میں photon کا لفظ دو الفاظ کا مرکب ہے
1- photo = نور ، روشنی
2- on = اکائی ، بنیادی حصہ
اردو میں جہاں بھی on کا لفظ اس مفہوم میں آتا ہے وہاں پر اسکا ترجمہ ---- یہ ---- کے لاحقہ کے ساتھ کیا جاتا ہے ، یعنی نور + یہ = نوریہ یا photo + on = photon ۔
on کا لاحقہ اس طرح استعمال ہونے کی چند مثالیں یہ ہیں
1- electr-on = برقیہ
2- prot-on = اولیہ
3- neutr-on = تعدیلہ
4- phot-on = نوریہ
جدید تصور
نوریہ کے بارے میں جدید تصور 1905 تا 1917 کے دوران نمودار ہوا اور اسکا زیادہ تر سہرا آئن سٹائن کی تحقیق کے سر جاتا ہے جس نے عام اور روائتی طبیعیات سے وضاحت نہ کی جاسکنے والے موجی نمونے کی اپنے تجرباتی مشاہدات کی مدد سے وضاحت پیش کی۔ جدید نظریہ کے مطابق ، نوریہ دراصل روشنی کی توانائی کے ، موجوں کہ تعدد (frequency) پر منحصر ہونے کا ایک بیان کہا جاسکتا ہے، اور اسکی مدد سے یہ وضاحت بھی ملتی ہے کہ مادہ اور اشعاع یا توانائی آپس میں ایک قسم کا حرحرکیاتی توازن (thermodynamic equilibrium) رکھتے ہیں۔
آئن سٹائن کے برعکس دیگر طبیعیاتدانوں نے نوریہ کی وضاحت کے لیۓ طبیعیات کے روائتی تو نہیں مگر نیم روائتی نظریات استعمال کرنے کی کوشش کی اور ان نظریات میں روشنی کو تو میکس ویل مساوات کی مدد سے واضع کرنے کی کوشش کی گئی مگر روشنی خارج کرنے والا جسم یا مادے کو مقداریت (quantize) رکھنے والا کہا گیا۔ گو کہ ان نیم روائتی نمونوں کے زریعے مقداریہ آلاتیات (quantum mechanics) کی ترقی و پیشرفت میں بہت مدد بھی ملی۔
بعد کے تجربات سے آئن سٹائن کی یہ بات واضع اور ثابت ہوتی چلی گئی کہ روشنی دراصل بذات خود ہی مقداریت کی خصوصیت رکھتی ہے اور روشنی کی اسی مقداریت کی اکائیوں یعنی مقدارہ یا quanta کو نوریہ کہا گیا۔
نوریہ کے نظریے نے بہت نے نئے تجربات اور نظریات کی راہ ہموار کی جن میں لیزر ، بوز-آئنسٹائن تکثیف ، میدانی نظریۂ مقداریہ اور مقداریہ آلاتیات کا نظریۂ تفسیر امکانی شامل ہیں۔ ذراتی طبیعیات کے جدید نظریۂ معیاری نمونہ کے مطابق نورات تمام اقسام کے برقی اور مقناطیسی میدانوں کی پیدائش کے ذمہ دار ہوتے ہیں اور بذات خود اپنی پیدائش کے لیۓ انکو ایسے طبیعیاتی قوانین کی ضرورت ہوتی ہے جو کہ زمان و مکاں (spacetime) کے ہر ہر مقام پر مکمل تناظر کے حامل ہوں۔ نورات کے اندرونی خواص --- مثلا؛ بار ، کمیت اور غزل --- اسی تناظر پر منحصر ہیں جسکو مقیاسی تناظر بھی کہا جاتا ہے۔
نورات کے طرزیات میں کئی اہم اطلاقات بہت نمایاں حیثیت رکھتے ہیں مثلا؛ ضیائی کیمیاء ، کثیر الدقیق خوردبین (high-resolution microscopy) اور سالمات کے درمیان پیمائش فاصلہ وغیرہ۔ حال ہی میں مقداریہ کمپیوٹروں ، بصری ابلاغیات اور مقداری صفریت کے لیۓ بھی نورات پر مطالعہ اور تحقیق کی جارہی ہے۔
مزید دیکھیۓ
٭ برقناطیسی اشعاع (electromagnetic waves)
زمرہ جات:
برقناطیسیت بوسون
قس انگلیسی
In physics, a photon is an elementary particle, the quantum of light and all other forms of electromagnetic radiation, and the force carrier for the electromagnetic force. The effects of this force are easily observable at both the microscopic and macroscopic level, because the photon has no rest mass; this allows for interactions at long distances. Like all elementary particles, photons are currently best explained by quantum mechanics and exhibit wave–particle duality, exhibiting properties of both waves and particles. For example, a single photon may be refracted by a lens or exhibit wave interference with itself, but also act as a particle giving a definite result when its position is measured.
The modern concept of the photon was developed gradually by Albert Einstein to explain experimental observations that did not fit the classical wave model of light. In particular, the photon model accounted for the frequency dependence of lights energy, and explained the ability of matter and radiation to be in thermal equilibrium. It also accounted for anomalous observations, including the properties of black body radiation, that other physicists, most notably Max Planck, had sought to explain using semiclassical models, in which light is still described by Maxwells equations, but the material objects that emit and absorb light are quantized. Although these semiclassical models contributed to the development of quantum mechanics, further experiments validated Einsteins hypothesis that light itself is quantized; the quanta of light are photons.
In the Standard Model of particle physics, photons are described as a necessary consequence of physical laws having a certain symmetry at every point in spacetime. The intrinsic properties of photons, such as charge, mass and spin, are determined by the properties of this gauge symmetry. The photon concept has led to momentous advances in experimental and theoretical physics, such as lasers, Bose–Einstein condensation, quantum field theory, and the probabilistic interpretation of quantum mechanics. It has been applied to photochemistry, high-resolution microscopy, and measurements of molecular distances. Recently, photons have been studied as elements of quantum computers and for sophisticated applications in optical communication such as quantum cryptography.
Contents
1 Nomenclature
2 Physical properties
2.1 Experimental checks on photon mass
3 Historical development
4 Early objections
5 Wave–particle duality and uncertainty principles
6 Bose–Einstein model of a photon gas
7 Stimulated and spontaneous emission
8 Second quantization
9 The photon as a gauge boson
10 Contributions to the mass of a system
11 Photons in matter
12 Technological applications
13 Recent research
14 See also
15 Notes
16 References
17 Additional references
Nomenclature
Standard model of particle physics
Standard Model
Background
Constituents
Limitations
Theorists
v t e
In 1900, Max Planck was working on black-body radiation and suggested that the energy in electromagnetic waves could only be released in "packets" of energy. In his 1901 article in Annalen der Physik he called these packets "energy elements". The word quanta (singular quantum) was used even before 1900 to mean particles or amounts of different quantities, including electricity. Later, in 1905 Albert Einstein went further by suggesting that electromagnetic waves could only exist in these discrete wave-packets. He called such a wave-packet the light quantum (German: das Lichtquant). The name photon derives from the Greek word for light, φῶς (transliterated phôs), and was coined1 in 1926 by the physical chemist Gilbert Lewis, who published a speculative theory in which photons were "uncreatable and indestructible". Although Lewis theory was never accepted as it was contradicted by many experiments, his new name, photon, was adopted immediately by most physicists. Isaac Asimov credits Arthur Compton with defining quanta of energy as photons in 1923.
In physics, a photon is usually denoted by the symbol γ (the Greek letter gamma). This symbol for the photon probably derives from gamma rays, which were discovered in 1900 by Paul Villard, named by Ernest Rutherford in 1903, and shown to be a form of electromagnetic radiation in 1914 by Rutherford and Edward Andrade. In chemistry and optical engineering, photons are usually symbolized by hν, the energy of a photon, where h is Plancks constant and the Greek letter ν (nu) is the photons frequency. Much less commonly, the photon can be symbolized by hf, where its frequency is denoted by f.
Physical properties
See also: Special relativity
The photon is massless,2 has no electric charge, and is stable. A photon has two possible polarization states and is described by exactly three continuous parameters: the components of its wave vector, which determine its wavelength λ and its direction of propagation. The photon is the gauge boson for electromagnetism, and therefore all other quantum numbers of the photon (such as lepton number, baryon number, and flavour quantum numbers) are zero.
Photons are emitted in many natural processes. For example, when a charge is accelerated it emits synchrotron radiation. During a molecular, atomic or nuclear transition to a lower energy level, photons of various energy will be emitted, from infrared light to gamma rays. A photon can also be emitted when a particle and its corresponding antiparticle are annihilated (for example, electron-positron annihilation).
In empty space, the photon moves at c (the speed of light) and its energy and momentum are related by E = pc, where p is the magnitude of the momentum vector p. This derives from the following relativistic relation, with m = 0:
The energy and momentum of a photon depend only on its frequency (ν) or inversely, its wavelength (λ):
where k is the wave vector (where the wave number k = |k| = 2π/λ), ω = 2πν is the angular frequency, and ħ = h/2π is the reduced Planck constant.
Since p points in the direction of the photons propagation, the magnitude of the momentum is
The photon also carries spin angular momentum that does not depend on its frequency. The magnitude of its spin is and the component measured along its direction of motion, its helicity, must be ±ħ. These two possible helicities, called right-handed and left-handed, correspond to the two possible circular polarization states of the photon.
To illustrate the significance of these formulae, the annihilation of a particle with its antiparticle in free space must result in the creation of at least two photons for the following reason. In the center of mass frame, the colliding antiparticles have no net momentum, whereas a single photon always has momentum (since it is determined, as we have seen, only by the photons frequency or wavelength—which cannot be zero). Hence, conservation of momentum (or equivalently, translational invariance) requires that at least two photons are created, with zero net momentum. (However, it is possible if the system interacts with another particle or field for annihilation to produce one photon, as when a positron annihilates with a bound atomic electron, it is possible for only one photon to be emitted, as the nuclear Coulomb field breaks translational symmetry.) The energy of the two photons, or, equivalently, their frequency, may be determined from conservation of four-momentum. Seen another way, the photon can be considered as its own antiparticle. The reverse process, pair production, is the dominant mechanism by which high-energy photons such as gamma rays lose energy while passing through matter. That process is the reverse of "annihilation to one photon" allowed in the electric field of an atomic nucleus.
The classical formulae for the energy and momentum of electromagnetic radiation can be re-expressed in terms of photon events. For example, the pressure of electromagnetic radiation on an object derives from the transfer of photon momentum per unit time and unit area to that object, since pressure is force per unit area and force is the change in momentum per unit time.
Experimental checks on photon mass
The photon is currently understood to be strictly massless, but this is an experimental question. If the photon is not a strictly massless particle, it would not move at the exact speed of light in vacuum, c. Its speed would be lower and depend on its frequency. Relativity would be unaffected by this; the so-called speed of light, c, would then not be the actual speed at which light moves, but a constant of nature which is the maximum speed that any object could theoretically attain in space-time. Thus, it would still be the speed of space-time ripples (gravitational waves and gravitons), but it would not be the speed of photons.
A massive photon would have other effects as well. Coulombs law would be modified and the electromagnetic field would have an extra physical degree of freedom. These effects yield more sensitive experimental probes of the photon mass than the frequency dependence of the speed of light. If Coulombs law is not exactly valid, then that would cause the presence of an electric field inside a hollow conductor when it is subjected to an external electric field. This thus allows one to test Coulombs law to very high precision. A null result of such an experiment has set a limit of m ≲ 10−14 eV/c2.
Sharper upper limits have been obtained in experiments designed to detect effects caused by the galactic vector potential. Although the galactic vector potential is very large because the galactic magnetic field exists on very long length scales, only the magnetic field is observable if the photon is massless. In case of a massive photon, the mass term would affect the galactic plasma. The fact that no such effects are seen implies an upper bound on the photon mass of m 3×10−27 eV/c2. The galactic vector potential can also be probed directly by measuring the torque exerted on a magnetized ring. Such methods were used to obtain the sharper upper limit of 10−18eV/c2 (thats m ≤ 0.999889861 zeV/c2, or 9.99889861×10−22 eV/c2, the equivalent of 1.07342588×10−30 atomic mass units) given by the Particle Data Group.
These sharp limits from the non-observation of the effects caused by the galactic vector potential have been shown to be model dependent. If the photon mass is generated via the Higgs mechanism then the upper limit of m≲10−14 eV/c2 from the test of Coulombs law is valid.
Photons inside superconductors do develop a nonzero effective rest mass; as a result, electromagnetic forces become short-range inside superconductors.
See also: Supernova/Acceleration Probe
Historical development
Main article: Light
Thomas Youngs double-slit experiment in 1805 showed that light can act as a wave, helping to defeat early particle theories of light.
In most theories up to the eighteenth century, light was pictured as being made up of particles. Since particle models cannot easily account for the refraction, diffraction and birefringence of light, wave theories of light were proposed by René Descartes (1637), Robert Hooke (1665), and Christian Huygens (1678); however, particle models remained dominant, chiefly due to the influence of Isaac Newton. In the early nineteenth century, Thomas Young and August Fresnel clearly demonstrated the interference and diffraction of light and by 1850 wave models were generally accepted. In 1865, James Clerk Maxwells prediction that light was an electromagnetic wave—which was confirmed experimentally in 1888 by Heinrich Hertzs detection of radio waves—seemed to be the final blow to particle models of light.
In 1900, Maxwells theoretical model of light as oscillating electric and magnetic fields seemed complete. However, several observations could not be explained by any wave model of electromagnetic radiation, leading to the idea that light-energy was packaged into quanta described by E=hν. Later experiments showed that these light-quanta also carry momentum and, thus, can be considered particles: the photon concept was born, leading to a deeper understanding of the electric and magnetic fields themselves.
The Maxwell wave theory, however, does not account for all properties of light. The Maxwell theory predicts that the energy of a light wave depends only on its intensity, not on its frequency; nevertheless, several independent types of experiments show that the energy imparted by light to atoms depends only on the lights frequency, not on its intensity. For example, some chemical reactions are provoked only by light of frequency higher than a certain threshold; light of frequency lower than the threshold, no matter how intense, does not initiate the reaction. Similarly, electrons can be ejected from a metal plate by shining light of sufficiently high frequency on it (the photoelectric effect); the energy of the ejected electron is related only to the lights frequency, not to its intensity.3
At the same time, investigations of blackbody radiation carried out over four decades (1860–1900) by various researchers culminated in Max Plancks hypothesis that the energy of any system that absorbs or emits electromagnetic radiation of frequency ν is an integer multiple of an energy quantum E=hν. As shown by Albert Einstein, some form of energy quantization must be assumed to account for the thermal equilibrium observed between matter and electromagnetic radiation; for this explanation of the photoelectric effect, Einstein received the 1921 Nobel Prize in physics.
Since the Maxwell theory of light allows for all possible energies of electromagnetic radiation, most physicists assumed initially that the energy quantization resulted from some unknown constraint on the matter that absorbs or emits the radiation. In 1905, Einstein was the first to propose that energy quantization was a property of electromagnetic radiation itself. Although he accepted the validity of Maxwells theory, Einstein pointed out that many anomalous experiments could be explained if the energy of a Maxwellian light wave were localized into point-like quanta that move independently of one another, even if the wave itself is spread continuously over space. In 1909 and 1916, Einstein showed that, if Plancks law of black-body radiation is accepted, the energy quanta must also carry momentum p=h/λ, making them full-fledged particles. This photon momentum was observed experimentally by Arthur Compton, for which he received the Nobel Prize in 1927. The pivotal question was then: how to unify Maxwells wave theory of light with its experimentally observed particle nature? The answer to this question occupied Albert Einstein for the rest of his life, and was solved in quantum electrodynamics and its successor, the Standard Model (see Second quantization and The photon as a gauge boson, below).
Early objections
Up to 1923, most physicists were reluctant to accept that light itself was quantized. Instead, they tried to explain photon behavior by quantizing only matter, as in the Bohr model of the hydrogen atom (shown here). Even though these semiclassical models were only a first approximation, they were accurate for simple systems and they led to quantum mechanics.
Einsteins 1905 predictions were verified experimentally in several ways in the first two decades of the 20th century, as recounted in Robert Millikans Nobel lecture. However, before Comptons experiment showing that photons carried momentum proportional to their wave number (or frequency) (1922), most physicists were reluctant to believe that electromagnetic radiation itself might be particulate. (See, for example, the Nobel lectures of Wien, Planck and Millikan.). Instead, there was a widespread belief that energy quantization resulted from some unknown constraint on the matter that absorbs or emits radiation. Attitudes changed over time. In part, the change can be traced to experiments such as Compton scattering, where it was much more difficult not to ascribe quantization to light itself to explain the observed results.
Even after Comptons experiment, Niels Bohr, Hendrik Kramers and John Slater made one last attempt to preserve the Maxwellian continuous electromagnetic field model of light, the so-called BKS model. To account for the data then available, two drastic hypotheses had to be made:
Energy and momentum are conserved only on the average in interactions between matter and radiation, not in elementary processes such as absorption and emission. This allows one to reconcile the discontinuously changing energy of the atom (jump between energy states) with the continuous release of energy into radiation.
Causality is abandoned. For example, spontaneous emissions are merely emissions induced by a "virtual" electromagnetic field.
However, refined Compton experiments showed that energy-momentum is conserved extraordinarily well in elementary processes; and also that the jolting of the electron and the generation of a new photon in Compton scattering obey causality to within 10 ps. Accordingly, Bohr and his co-workers gave their model "as honorable a funeral as possible". Nevertheless, the failures of the BKS model inspired Werner Heisenberg in his development of matrix mechanics.
A few physicists persisted in developing semiclassical models in which electromagnetic radiation is not quantized, but matter appears to obey the laws of quantum mechanics. Although the evidence for photons from chemical and physical experiments was overwhelming by the 1970s, this evidence could not be considered as absolutely definitive; since it relied on the interaction of light with matter, a sufficiently complicated theory of matter could in principle account for the evidence. Nevertheless, all semiclassical theories were refuted definitively in the 1970s and 1980s by photon-correlation experiments.4 Hence, Einsteins hypothesis that quantization is a property of light itself is considered to be proven.
Wave–particle duality and uncertainty principles
See also: Wave–particle duality, Squeezed coherent state, and Uncertainty principle
Photons, like all quantum objects, exhibit both wave-like and particle-like properties. Their dual wave–particle nature can be difficult to visualize. The photon displays clearly wave-like phenomena such as diffraction and interference on the length scale of its wavelength. For example, a single photon passing through a double-slit experiment lands on the screen exhibiting interference phenomena but only if no measure was made on the actual slit being run across. To account for the particle interpretation that phenomenon is called probability distribution but behaves according to Maxwells equations. However, experiments confirm that the photon is not a short pulse of electromagnetic radiation; it does not spread out as it propagates, nor does it divide when it encounters a beam splitter. Rather, the photon seems to be a point-like particle since it is absorbed or emitted as a whole by arbitrarily small systems, systems much smaller than its wavelength, such as an atomic nucleus (≈10−15 m across) or even the point-like electron. Nevertheless, the photon is not a point-like particle whose trajectory is shaped probabilistically by the electromagnetic field, as conceived by Einstein and others; that hypothesis was also refuted by the photon-correlation experiments cited above. According to our present understanding, the electromagnetic field itself is produced by photons, which in turn result from a local gauge symmetry and the laws of quantum field theory (see the Second quantization and Gauge boson sections below).
Heisenbergs thought experiment for locating an electron (shown in blue) with a high-resolution gamma-ray microscope. The incoming gamma ray (shown in green) is scattered by the electron up into the microscopes aperture angle θ. The scattered gamma ray is shown in red. Classical optics shows that the electron position can be resolved only up to an uncertainty Δx that depends on θ and the wavelength λ of the incoming light.
A key element of quantum mechanics is Heisenbergs uncertainty principle, which forbids the simultaneous measurement of the position and momentum of a particle along the same direction. Remarkably, the uncertainty principle for charged, material particles requires the quantization of light into photons, and even the frequency dependence of the photons energy and momentum. An elegant illustration is Heisenbergs thought experiment for locating an electron with an ideal microscope. The position of the electron can be determined to within the resolving power of the microscope, which is given by a formula from classical optics
where is the aperture angle of the microscope. Thus, the position uncertainty can be made arbitrarily small by reducing the wavelength λ. The momentum of the electron is uncertain, since it received a "kick" from the light scattering from it into the microscope. If light were not quantized into photons, the uncertainty could be made arbitrarily small by reducing the lights intensity. In that case, since the wavelength and intensity of light can be varied independently, one could simultaneously determine the position and momentum to arbitrarily high accuracy, violating the uncertainty principle. By contrast, Einsteins formula for photon momentum preserves the uncertainty principle; since the photon is scattered anywhere within the aperture, the uncertainty of momentum transferred equals
giving the product , which is Heisenbergs uncertainty principle. Thus, the entire world is quantized; both matter and fields must obey a consistent set of quantum laws, if either one is to be quantized.
The analogous uncertainty principle for photons forbids the simultaneous measurement of the number of photons (see Fock state and the Second quantization section below) in an electromagnetic wave and the phase of that wave
See coherent state and squeezed coherent state for more details.
Both photons and material particles such as electrons create analogous interference patterns when passing through a double-slit experiment. For photons, this corresponds to the interference of a Maxwell light wave whereas, for material particles, this corresponds to the interference of the Schrödinger wave equation. Although this similarity might suggest that Maxwells equations are simply Schrödingers equation for photons, most physicists do not agree. For one thing, they are mathematically different; most obviously, Schrödingers one equation solves for a complex field, whereas Maxwells four equations solve for real fields. More generally, the normal concept of a Schrödinger probability wave function cannot be applied to photons. Being massless, they cannot be localized without being destroyed; technically, photons cannot have a position eigenstate , and, thus, the normal Heisenberg uncertainty principle does not pertain to photons. A few substitute wave functions have been suggested for the photon, but they have not come into general use. Instead, physicists generally accept the second-quantized theory of photons described below, quantum electrodynamics, in which photons are quantized excitations of electromagnetic modes.
Bose–Einstein model of a photon gas
Main articles: Bose gas, Bose–Einstein statistics, Spin-statistics theorem, and Gas in a box
In 1924, Satyendra Nath Bose derived Plancks law of black-body radiation without using any electromagnetism, but rather a modification of coarse-grained counting of phase space. Einstein showed that this modification is equivalent to assuming that photons are rigorously identical and that it implied a "mysterious non-local interaction", now understood as the requirement for a symmetric quantum mechanical state. This work led to the concept of coherent states and the development of the laser. In the same papers, Einstein extended Boses formalism to material particles (bosons) and predicted that they would condense into their lowest quantum state at low enough temperatures; this Bose–Einstein condensation was observed experimentally in 1995.
The modern view on this is that photons are, by virtue of their integer spin, bosons (as opposed to fermions with half-integer spin). By the spin-statistics theorem, all bosons obey Bose–Einstein statistics (whereas all fermions obey Fermi-Dirac statistics).
Stimulated and spontaneous emission
Main articles: Stimulated emission and Laser
Stimulated emission (in which photons "clone" themselves) was predicted by Einstein in his kinetic analysis, and led to the development of the laser. Einsteins derivation inspired further developments in the quantum treatment of light, which led to the statistical interpretation of quantum mechanics.
In 1916, Einstein showed that Plancks radiation law could be derived from a semi-classical, statistical treatment of photons and atoms, which implies a relation between the rates at which atoms emit and absorb photons. The condition follows from the assumption that light is emitted and absorbed by atoms independently, and that the thermal equilibrium is preserved by interaction with atoms. Consider a cavity in thermal equilibrium and filled with electromagnetic radiation and atoms that can emit and absorb that radiation. Thermal equilibrium requires that the energy density of p
photon
الفوتون وحده الكم الضوئي، الفوتون
foton
photon
photon
fotón
fotone
واحد شدت نور وارده بشبکیه چشم
محتویات
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.
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
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
ن • ب • و
ذرات بنیادی در فیزیک
ذرات بنیادی اولیه
فرمیونها: کوارکها: u • d • s • c • b • t • لپتونها: ν
e • ν
e • ν
μ • ν
μ • ν
τ • ν
τ • e- • e+ • μ- • μ+ • τ- • τ+
بوزونها: بوزونهای تبادلگر نیرو: γ • g • W± • Z0
دیگر: ارواح
ذرات ترکیبی
هادرونها: باریونها(فهرست)/هیپرون/هسته: p • n • Δ • Λ • Σ • Ξ • Ω • Ξb • مزونها(فهرست)/کوارکونیومها: π • K • ρ • J/ψ • Υ
ردههای صفحه: فوتونها فیزیک نوین فیزیک نور فیزیک ذرات بنیادی
از ویکی پدیا
قس عربی
الفوتون (بالإنجلیزیة: Photon) هو الجسیم الأولی المسؤول عن الظواهر الکهرومغناطیسیة والوحدة الأساسیة للضوء وجمیع أشکال الاشعاع الکهرومغنطیسی الأخرى. یحمل الفوتون موجات کل أشکال الإشعاع الکهرومغناطیسی کما أنه ناقل القوة للقوة الکهرومغنطیسیة. ویختص بکونه معدوم کتلة السکون، ومعدوم الشحنة الکهربائیة، بالإضافة لکونه یتنقل فی الفراغ بسرعة الضوء.
إن المفهوم الحدیث للفوتون کان قد طور تدریحیا من قبل البرت اینشتین لما لاحظ من التجارب وجود اختلاف عن النموذج الکلاسیکی للموجة کان من أهمها اعتمادیة طاقة الضوء على تردد الفوتون، اتزان المادة والاشعاع حراریا وخواص اشعاع الجسم الأسود.
أما فی النموذج المعیاری الحدیث لفیزیاء الجسیمات، فإن الفوتونات تمثل نتاجا هاما للقوانین الفیزیائیة التی لها تماثل معین فی کل نقطة من الزمکان.
لقد قاد مفهوم الفوتون إلى تقدم مفاجئ فی الفیزیاء النظریة والتجریبیة مثل اللیزر، نظریة الحقل الکمی، وإحصاء بوز-آینشتین. فی الوقت الحاضر هناک دراسات حول الفوتونات کعناصر لحواسیب الکم والتطبیقات المعقدة فی الاتصالات الضوئیة مثل علم التشفیر الکمی.
کبقیة الجسیمات فی میکانیکا الکم، یتصرف الفوتون على أنه موجة أو جسیم (مثنویة موجة-جسیم)، وهو یختزن کمًا محددًا من الطاقة حسب المعادلة:
،
حیث هو ثابت بلانک، و سرعة الضوء، و طول الموجة.
محتویات
1 تطور تاریخی
1.1 اکتشاف الفوتون
2 الفوتون فی الفراغ
3 کیف ینشأ الفوتون
4 التسمیة
5 الخصائص الفیزیائیة
5.1 الکتلة
6 انظر أیضاً
7 وصلات خارجیة
8 ملاحظات
9 المصادر والمراجع
تطور تاریخی
النموذج العیاری لفیزیاء الجسیمات
النموذج العیاری
الخلفیة
الأسس
التقییدات
العلماء
عرض • نقاش • تعدیل
مقال تفصیلی :ضوء
أظهرت تجربة الشق المضاعف لتوماس ینغ فی 1805 أن الضوء یمکن أن یتصرف مثل الموجة, مساندة بذلک فی هزیمة نظریات الجسیم المبکرة للضوء.
کانت أغلب النظریات حتى القرن الثامن عشرتصف الضوء على أنه ناشئ عن جسیمات. أحد هذه النظریات المبکرة کانت قد وصفت فی کتاب البصریات (1021) لابن الهیثم, الذی اعتبر أن أشعة الضوء عبارة عن تیارات من جسیمات صغیرة جداً والتی تفتقر لکل المؤهلات الحسیة عدا الطاقة. کان هذا رأی اسحق نیوتن أیضا فی طبیعة الضوء. لما کانت نماذج الجسیم غیر قادرة على تفسیر الانکسار, الحیود والانکسار المزدوج للضوء, فقد تم اقتراح نظریات الموجة للضوء من قبل رینیه دیکارت (1637), روبرت هوک (1665), وکریستیان هایغنز (1678); ,بالرغم من ذلک, ظلت نماذج الجسیم هی الغالبة, بشکل رئیسی لتأثیر إسحق نیوتن. فی أوائل القرن التاسع عشر, شرح کل من توماس ینغ وفرسنل أوغست بوضوح عملیة تداخل وانکسار الضوء ومع العام 1850 تم قبول نماذج الموجة عموما. فی 1865, تنبؤات جیمس کلرک ماکسویل بأن الضوء عبارة عن موجة کهرطیسیة والذی تأکد تقریبا فی 1888 بواسطة تحسس موجات الرادیو من قبل هنریک هیرتز—بدا أنها آخر صیحة لنماذج الضوء الجسیمیة.
فی 1900, ماکسویل النموذج النظری للضوء على أنه تذبذب مجالین کهربائی ومغناطیسی بدت مکتملة. مع ذلک, العدید من الملاحظات لم یکن ممکنا تفسیرها بأی نموذج موجی من الإشعاع الکهرومغنطیسی, وهذا ادى للفکرة القائلة بأن طاقة الضوء کانت قد رزمت فی کمّات الموصوف بالعلاقة E=hν. بینت تجارب لاحقة أن کمات الضوء هذه تحمل أیضا کمیة تحرک وعلیه, یمکن اعتبارها جسیمات: ولد مفهوم الفوتون, مؤدیا إلى تفهم عمیق للمجالات الکهربائیة والمغنطیسیة نفسها.
إن نظریة الموجة لماکسویل, مع ذلک, لا تحسب حسابا لجمیع خصائص الضوء. تتنبأ نظریة ماکسویل بأن طاقة موجة الضوء تعتمد فقط على شدتها، لیس على ترددها، على الرغم من أن أنواع عدیدة من التجارب المستقلة تظهر أن الطاقة الممنوحة بالضوء للذرات تعتمد على تردد الضوء فقط ولیس شدته. على سبیل المثال, بعض التفاعلات الکیمیائیة یتم إثارتها فقط عن طریق ضوء بتردد أعلى من حد معین. إذا کان هذا الضوء ذا تردد أقل فمهما بلغت شدته لا یحفز التفاعل. بالمثل, بالإمکان نزع الکترونات من صفیحة معدنیة بتسلیط ضوء ذی تردد عالی بقدر کاف علیها (تأثیر کهروضوئی); تتعلق طاقة الالکترونات المنتزعة بتردد الضوء فقط، ولیس الشدة..1
اکتشاف الفوتون
یمکن تلخیص أبرز الاحداث التاریخیة فی اکتشاف الفوتون کما یلی:
1900 : وصف الفیزیائی ماکس بلانک الضوء وکل أشکال الطاقة الاشعاعیة بانها تیارات من جسیمات تسمى کمات وکل کم من الطاقة حزمة ولا یمکن تقسیمها ،والفوتون کم من الطاقة الکهرومغنطیسیة
1902 : العالم الفیزیائی فیلیب أنتون لینارد یلاحظ ان کمیة الطاقة المعطاة لإلکترون اعتمدت فقط على لون الضوء الذی سطع على القطب الکهربائی
1905 :العالم الفیزیائی البرت اینشتاین یتوصل إلى ان طاقة الفوتون تعتمد على طولها الموجی أو ترددها ؛فمثلا فوتون الضوء بنفسجی (لون) له طاقة أعلى من فوتون الضوء الأحمر لأن ضوء بنفسجی (لون) له تردد أعلى مما للضوء الأحمر
1922 : العالم الفیزیائی أرثر کمبتون وحسب اکتشاقه المعروف بتأثیر کمبتون هو دلیل قوی على أن الفوتونات هی فی الواقع جسیمات فعندما تصطدم فوتونات الأشعة السینیة مع الالکترونات ینحرف کلا الجسیمین من ممرهما المبدئی ویعطی فوتون الأشعة سینیة بعض طاقته للإلکترون ؛ ونتیجة لذلک یسقط فوتون الأشعة السینیة على تردد أقل.
الفوتون فی الفراغ
یتحرک الفوتون فی الفراغ بسرعة الضوء 299792458 متر/ثانیة وسرعته ثابته لا تتغیر إلا إذا دخل وسطا آخر مثل الزجاج.
وبصفته کمیة طاقة تعتمد طاقته على ثابت بلانک وتعطى بالعلاقة :
حیث:
تردد موجة الفوتون
ونعطی هنا مثالا عددیا لفوتون معهود من الفوتونات الضوئیة:
,
حیث:
طاقة الفوتون بالإلکترون فولت eV
: التردد الزاوی (1/ثانیة).
فإذا کان التردد الزاوی : (فی الثانیة) ω = 1,520 • 1015
تکون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وهذه طاقة شعاع ضوء فی منطقة طیف الأشعة تحت الحمراء.
کما یمکن حساب طاقة الفوتون بمعرفة طول موجته، من المعادلة:
حیث:
λ طول موجة الفوتون بالمیکرومتر
فإذا کانت طول موجة الفوتون تساوی= 1,240 میکرومتر فهی تساوی 1240 نانومتر
وتکون طاقة الفوتون : E = 1 eV
وللمقارنة فإن شعاع ضوء ذو طول موجة 620 نانومتر یکون لونه برتقالی، وبالتالى تکون طاقته = 2 إلکترون فولت.
والفوتون یتحرک باستمرار بسرعة الضوء ولا یوجد فی حالة سکون، لذلک فله کمیة حرکة وهی تعطى بالعلاقة التالیة الناتجة عن میکانیکا الکم :
کیف ینشأ الفوتون
ینشأ الفوتون الضوئی فی الذرة عندما یقفز أحد إلکترونات الذرة من مستوی طاقة علوی إلى مستوی طاقة سفلی، عندئذ یطلق الإلکترون فارق الطاقة على هیئة فوتونا له تردد محدد.
ینشا الفوتون الضوئی فی الغلاف الذری الإلکترونی عندما تثار الذرة بفعل الحرارة مثلا ویصبح أحد الإلکترونات فی مستوی طاقة للذرة عال، ولا یستطیع الإلکترون البقاء فی ذلک المستوی فسرعان ما یقفز إلى مستوی طاقة سفلی ویطلق فارق الطاقة فی هیئة فوتون (شعاع ضوء) له تردد محدد أو ذی طول موجة محددة.
فذرة الصودیوم على سبیل المثال تطلق عند الإثارة شعاعی ضوء تبلغ طول موجتهما 589 نانومتر و 590 نانومتر. ویقع هذان الشعاعان فی منطقة اللون الأصفر للطیف، هذان الشعاعان هما فوتونان.
وطیف الزئبق یصدر خطین من الفوتونات طول موجتیهما 579 و 577 نانومتر یقعان فی منطقة الضوء الأصفر وخط ثالث ذو طول موجة 546 نانومتر وهذا یقع فی منطقة الضوء الأخضر.
وکل من هذه الفوتونات ینشأ عندما یقفز أحد الإلکترونات من مستوی للطاقة عال إلى مستوی منخفض. وتصل طاقة هذه الفوتونات بین 5و0 و 6و0 إلکترون فولت (أی أقل من 1 إلکترون فولت).
وبصفة عامة فالفوتونات عبارة عن أشعة کهرطیسیة، بعضها یمکن رؤیته وینتمی إلى أشعة الضوء المرئی، والبعض الآخر یمکن أن یظهر فی هیئة شعاع من الأشعة السینیة ذات الطاقة العالیة وبالتالی فلها درجة نفاذ عالیة. وتنشأ الأشعة السینیة عندما یقفز إلکترونا من مستوی عال فی الذرة إلى مکان شاغر فی الذرة بالقرب من النواة. فیکون فرق طاقتی المستویین بالغا ویصل إلى عدة مئات إلکترون فولت.
وهناک نوع من الفوتونات ذو طاقة عالیة جدا تبلغ عدة ملایین إلکترون فولت مثل اشعة جاما. هذه الفوتونات لا تنشأ فی الغلاف الذری للعناصر، وإنما تصدر من نواة الذرة.
التسمیة
فی عام 1900م کان ماکس بلانک یعمل على مسألة إشعاع الجسم الأسود، وتوصل إلى أن الطاقة فی الأمواج الکهرومغناطیسیة لا یُمکن أن تنتشر إلا على شکل "حزم صغیرة" من الطاقة، أطلق علیها "الکموم" (جمع کم). لاحقا وفی عام 1905م ذهب ألبرت آینشتاین إلى أبعد من ذلک حین قال أن الأمواج الکهرومغناطیسیة لا یُمکن أن توجد إلا على شکل حزم طاقة. وقد أطلق علیها اسماً مشابهاً وهو "کموم الضوء". أما کلمة "فوتون" فقد اشتقت من الکلمة الإغریقیة "φως" (فوس) والتی تعنی "ضوء". وقد کان من ابتکر الکلمة هو الفیزیائی غلبرت لویس فی عام 1926، والذی نشر نظریة تخمینیة – غیر تجریبیة – حول أن "الفوتونات لا تستحدث ولا تفنى". وبالرغم من أن نظریة لویس لم تلاقی قبولاً لتعارضها مع العدید من التجارب العلمیة، إلى أن معظم الفیزیائیین استخدموا "فوتونه" الجدید مباشرة بعد طرح النظریة. حسب إسحاق أسیموف، آرثر کومبتون هو من عرّف "کموم الطاقة" بأنها "فوتونات" فی عام 1923..
وعادة ما یُشار فی الفیزیاء إلى الفوتون برمز "γ" (الحرف الإغریقی "غاما"). وربما استخدم هذا الرمز تیمّناً بأشعة غاما (والتی اکتشفها وأسماها الفیزیائی "باول فیلارد" فی عام 1990) لأنه تبیّن أنها من الأمواج الکهرومغناطیسیة فی عام 1914. فی الکیمیاء والهندسة البصریة یُرمز للفوتونات عادة بالرمز "hν"، حیث أن "h" هو ثابت بلانک و"ν" هو حرف إغریقی. ویوجد رمز أقل شیوعاً هو "hf".
الخصائص الفیزیائیة
الفوتون عدیم الکتلة (انظر أدناه) والشحنة الکهربائیة ولا یضمحل فی الفضاء الخالی. الفوتون هو البوزون الحامل للقوة الکهرومغناطیسیة، ونظریا کل الأعداد الکمیة الأخرى للفوتون (مثل عدد الباریون والأعداد الکمیة للنکهة) هی صفر.
العلاقة بین طاقة وزخم حرکة الفوتون هی "E = pc"، حیث أن "E" هی الطاقة و"p" هی مقدار متجه زخم الحرکة و"c" هی سرعة الضوء. طاقة وزخم حرکة الفوتون یعتمدان فقط إما على تردده (ν) أو بشکل مساو على طوله الموجی (λ):
حیث أن "K" هو "متجه الموجة" و"ω" هو التردد الزاوی و"ħ" هو ثابت بلانک.
وأیضا یملک الفوتون دورانا مغزلیا لا یعتمد على تردده. ومقدار دورانه هو
الکتلة
یُعتقد حالیاً أن الفوتون عدیم الکتلة السکونیة 2 تماما (کتلته السکونیة لیست قلیلة جدا بل هی لا شیء). لکن المشکلة هی أنه إذا کان الفوتون عدیم الکتلة فلا یُمکن أن یتحرک بسرعة "c" فی الفراغ، بل یجب أن تکون سرعته أقل وأن تعتمد على تردده. لکن فی الواقع التعبیر الشائع عن "c" بأنها سرعة تحرک الضوء هو خطأ، بل هی ثابت طبیعی یُمثل الحد الأقصى للسرعة التی یُمکن لأی جسم التحرک بها نظریا فی الزمکان. وهکذا فهی ما زالت سرعة الأمواج فی الزمکان (أمواج الجاذبیة والجاذبیة)، لکنها لیست سرعة الفوتونات.
انظر أیضاً
موجة کهرومغناطیسیة
ضوء.
طیف.
طیف کهرومغناطیسی.
لیزر.
تأثیر دوبلر.
استقطاب الفوتون.
فونون.
میکانیکا الکم.
بوزون قیاسی.
حامل قوة.
قوة کهرومغناطیسیة.
بوابة الفیزیاء
وصلات خارجیة
Thorn, JJ; Neel MS, Donato VW, Bergreen GS, Davies RE and Beck M. (2004). "Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory". American Journal of Physics 72: 1210–1219
Kimble, HJ; Dagenais M, and Mandel L. (1977). "Photon Anti-bunching in Resonance Fluorescence". Phys. Rev. Lett. 39: 691–695
What is a Photon? About Physics.
Measurement of the isolated photon cross section in proton-antiproton collisions at DØ
ملف أکروبات یحوی جداول لقیم غیج وبوزون
ملاحظات
^ ینبغی فهم أنها "بغض النظر عن کمیة الشدة" تشیر إلى کمیات شدتها تحت 1013 W/cm2 تقریبا والتی تبدأ عندها نقطة نظریة التشویش بالانهیار. المثیر للاهتمام فی موضوع الشدة, والذی یکون للضوء المرئی تقریبا فوق 1014 W/cm2, یتنبأ الوصف الکلاسیکی للموجة أن الطاقة المکتسبة بواسطة الإلکترونات, تدعى طاقة بندیرو الدافعة. إنظر أیضا . بالمقارنة, فإن ضوء الشمس لیس سوى 0.1 W/cm2.
^ أثبتت نظریة النسبیة الخاصة لآینشتاین أن کتلة الأجسام یُمکن أن تزید فی حال تحرکت بسرعة قریبة من سرعة الضوء. وعند 86% من سرعة الضوء تتضاعف الکتلة. ولذلک فقد وُلد مصطلحان للتعبیر عن الکتلة هما: الکتلة السکونیة، وهی کتلة الأجسام عندما تکون ثابتة. والکتلة الحرکیة، وهی کتلة الأجسام عندما تتحرک بما یقارب سرعة الضوء.
المصادر والمراجع
^ Official particle table for gauge and Higgs bosons Retrieved 24 October 2006
^ Rashed, R. (2007). "The Celestial Kinematics of Ibn al-Haytham". Arabic Sciences and Philosophy (Cambridge University Press) 17 (1): 7–55 . doi:10.1017/S0957423907000355. “فی کتابه البصریات أصغر أجزاء من الضوء, کما یسمیها, تحتفظ فقط بخصائص یمکن التعامل معها بالهندسة التحلیلیة والتحقق منها تجریبیاً.”
^ Descartes,R. (1637). Discours de la méthode (Discourse on Method). Imprimerie de Ian Maire. (فرنسیة)
^ Hooke,R. (1667). Micrographia: or some physiological descriptions of minute bodies made by magnifying glasses with observations and inquiries thereupon.... London (UK): Royal Society of London. .
^ Huygens,C. (1678). Traité de la lumière. (فرنسیة). An ترجمة إنکلیزیة متوافرة من Project Gutenberg
^ Newton,I. (1952) . Opticks (4th ed.). Dover (NY): Dover Publications. Book II, Part III, Propositions XII–XX; Queries 25–29. ISBN 0-486-60205-2.
^ Buchwald,J.Z. (1989). The Rise of the Wave Theory of Light: Optical Theory and Experiment in the Early Nineteenth Century. University of Chicago Press. ISBN 0-226-07886-8. OCLC 18069573.
^ Maxwell, J.C. (1865). "A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field". Philosophical Transactions of the Royal Society of London 155: 459–512. doi:10.1098/rstl.1865.0008. تلى هذا المقال عرضاً تقدیمیا من ماکسویل فی 8 دیسمبر 1864 للجمعیة الملکیة.
^ Hertz, H. (1888). "Über Strahlen elektrischer Kraft". Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften (Berlin) 1888: 1297–1307. (ألمانیة)
^ اعتماد التردد الإضاءة ص. 276f., التأثیر الکهروضوئی قسم 1.4 فی Alonso,M.
Finn,E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-00262-0.
^ Einstein, A. (1905). "Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt". Annalen der Physik 17: 132–148. doi:10.1002/andp.19053220607. (ألمانیة). A partial English translation is available from Wikisource.
^ Lewis, G.N. (1926). "The conservation of photons". Nature 118: 874–875. doi:10.1038/118874a0.
^ Asimov,I. (1966). The Neutrino, Ghost Particle of the Atom. Garden City (NY): Doubleday. قالب:LCCN.
^ Asimov,I. (1966). The Universe From Flat Earth To Quasar. New York (NY): Walker. قالب:LCCN.
^ Villard, P. (1900). "Sur la réflexion et la réfraction des rayons cathodiques et des rayons déviables du radium". Comptes Rendus des Séances de lAcadémie des Sciences (Paris) 130: 1010–1012. (فرنسیة)
^ Villard, P. (1900). "Sur le rayonnement du radium". Comptes Rendus des Séances de lAcadémie des Sciences (Paris) 130: 1178–1179. (فرنسیة)
^ Rutherford, E.; Andrade, E.N.C. (1914). "The Wavelength of the Soft Gamma Rays from Radium B". Philosophical Magazine 27: 854–868.
^ Kobychev, V.V.; Popov, S.B. (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31: 147–151. doi:10.1134/1.1883345.
^ Role as gauge boson and polarization section 5.1 in Aitchison,I.J.R.
Hey,A.J.G. (1993). Gauge Theories in Particle Physics. IOP Publishing. ISBN 0-85274-328-9.
^ See p.31 in Amsler, C.; et al. (2008). "Review of Particle Physics". Physics Letters B667: 1–1340..
^ See section 1.6 in Alonso,M.
Finn,E.J. (1968). Fundamental University Physics Volume III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 0-201-00262-0.
^ Electromagnetic radiation is made of photons
^ David Mermin (February 1984). "Relativity without light". American Journal of Physics 52(2): 119–124.
Grangier, P; Roger G, and Aspect A. (1986). "Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences". Europhysics Letters 1: 501–504
Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. An excellent history of the photons early development
ع • ن • تکهرودینامیکا کمیة
تصنیفات: جسیمات أولیةفوتوناتبوزونات قیاسیةمفاهیم فیزیائیةکهرومغناطیسیةبصریاتکهرودینامیکا کمیة
قس اردو
نوریہ ؛ کو انگریزی میں photon کہا جاتا ہے اور جیسا کہ نام سے ظاہر ہے کہ یہ نور کے ذرات ہوتے ہیں یعنی ایسے بنیادی ذرات کہ جن سے ملکر روشنی وجود میں آتی ہے۔ طبیعیات میں اسکی تعریف یوں کی جاتی ہے کہ
نوریہ سے مراد ایک ایسے بنیادی ذرے کی ہوتی ہے کہ جو برقناطیسی مظہر کا باعث ہوتا ہے۔ یہ برقناطیسی تفاعلات میں ایک بنیادی کردار ادا کرتا ہے اور اسی کی وجہ سے تمام اقسام کی روشنی یا نور وجود پاتا ہے۔
ایک نوریہ کی نہ تبدیل ہونے والی یعنی یکساں کمیت (invariant mass) ، صفر ہوتی ہے اور یہ ایک مستقل رفتار c سے سفر طے کرتا ہے جو کہ ظاہر ہے کہ نور یا روشنی کی رفتار کہلاتی ہے۔ اگرچہ ایسا ہوسکتا ہے کہ کسی مادے کی موجودگی کے باعث اسکی رفتار میں کمی واقع ہوجاۓ (یعنی مختلف مادوں میں اسکی حرکت کی رفتار مختلف ہوسکتی ہے) اسکے علاوہ یہ بھی ممکن ہے کہ کسی مادے سے گذرتے ہوئے یہ اپنی تمام کی تمام توانائی منتقل کرتے ہوئے اپنی رفتار بالکل کھو بیٹھے اور اس مادے میں جذب ہوجاۓ ، ایسا کرتے وقت منتقل ہونے والی توانائی اس نوریہ کی اپنی توانائی اور اسکے معیار حرکت (momentum) کے تناسب سے ہوتی ہے۔ دیگر تمام quanta کی طرح ، نوریہ میں بھی مــوجـی اور ذراتی دونوں اقسام کے خواص پائے جاتے ہیں یعنی یہ ایک طرح سے موجی ذراتی ثنویت یا wave-particle duality کا حامل ذرہ ہے۔
وجہ تسمیہ
انگریزی میں photon کا لفظ دو الفاظ کا مرکب ہے
1- photo = نور ، روشنی
2- on = اکائی ، بنیادی حصہ
اردو میں جہاں بھی on کا لفظ اس مفہوم میں آتا ہے وہاں پر اسکا ترجمہ ---- یہ ---- کے لاحقہ کے ساتھ کیا جاتا ہے ، یعنی نور + یہ = نوریہ یا photo + on = photon ۔
on کا لاحقہ اس طرح استعمال ہونے کی چند مثالیں یہ ہیں
1- electr-on = برقیہ
2- prot-on = اولیہ
3- neutr-on = تعدیلہ
4- phot-on = نوریہ
جدید تصور
نوریہ کے بارے میں جدید تصور 1905 تا 1917 کے دوران نمودار ہوا اور اسکا زیادہ تر سہرا آئن سٹائن کی تحقیق کے سر جاتا ہے جس نے عام اور روائتی طبیعیات سے وضاحت نہ کی جاسکنے والے موجی نمونے کی اپنے تجرباتی مشاہدات کی مدد سے وضاحت پیش کی۔ جدید نظریہ کے مطابق ، نوریہ دراصل روشنی کی توانائی کے ، موجوں کہ تعدد (frequency) پر منحصر ہونے کا ایک بیان کہا جاسکتا ہے، اور اسکی مدد سے یہ وضاحت بھی ملتی ہے کہ مادہ اور اشعاع یا توانائی آپس میں ایک قسم کا حرحرکیاتی توازن (thermodynamic equilibrium) رکھتے ہیں۔
آئن سٹائن کے برعکس دیگر طبیعیاتدانوں نے نوریہ کی وضاحت کے لیۓ طبیعیات کے روائتی تو نہیں مگر نیم روائتی نظریات استعمال کرنے کی کوشش کی اور ان نظریات میں روشنی کو تو میکس ویل مساوات کی مدد سے واضع کرنے کی کوشش کی گئی مگر روشنی خارج کرنے والا جسم یا مادے کو مقداریت (quantize) رکھنے والا کہا گیا۔ گو کہ ان نیم روائتی نمونوں کے زریعے مقداریہ آلاتیات (quantum mechanics) کی ترقی و پیشرفت میں بہت مدد بھی ملی۔
بعد کے تجربات سے آئن سٹائن کی یہ بات واضع اور ثابت ہوتی چلی گئی کہ روشنی دراصل بذات خود ہی مقداریت کی خصوصیت رکھتی ہے اور روشنی کی اسی مقداریت کی اکائیوں یعنی مقدارہ یا quanta کو نوریہ کہا گیا۔
نوریہ کے نظریے نے بہت نے نئے تجربات اور نظریات کی راہ ہموار کی جن میں لیزر ، بوز-آئنسٹائن تکثیف ، میدانی نظریۂ مقداریہ اور مقداریہ آلاتیات کا نظریۂ تفسیر امکانی شامل ہیں۔ ذراتی طبیعیات کے جدید نظریۂ معیاری نمونہ کے مطابق نورات تمام اقسام کے برقی اور مقناطیسی میدانوں کی پیدائش کے ذمہ دار ہوتے ہیں اور بذات خود اپنی پیدائش کے لیۓ انکو ایسے طبیعیاتی قوانین کی ضرورت ہوتی ہے جو کہ زمان و مکاں (spacetime) کے ہر ہر مقام پر مکمل تناظر کے حامل ہوں۔ نورات کے اندرونی خواص --- مثلا؛ بار ، کمیت اور غزل --- اسی تناظر پر منحصر ہیں جسکو مقیاسی تناظر بھی کہا جاتا ہے۔
نورات کے طرزیات میں کئی اہم اطلاقات بہت نمایاں حیثیت رکھتے ہیں مثلا؛ ضیائی کیمیاء ، کثیر الدقیق خوردبین (high-resolution microscopy) اور سالمات کے درمیان پیمائش فاصلہ وغیرہ۔ حال ہی میں مقداریہ کمپیوٹروں ، بصری ابلاغیات اور مقداری صفریت کے لیۓ بھی نورات پر مطالعہ اور تحقیق کی جارہی ہے۔
مزید دیکھیۓ
٭ برقناطیسی اشعاع (electromagnetic waves)
زمرہ جات:
برقناطیسیت بوسون
قس انگلیسی
In physics, a photon is an elementary particle, the quantum of light and all other forms of electromagnetic radiation, and the force carrier for the electromagnetic force. The effects of this force are easily observable at both the microscopic and macroscopic level, because the photon has no rest mass; this allows for interactions at long distances. Like all elementary particles, photons are currently best explained by quantum mechanics and exhibit wave–particle duality, exhibiting properties of both waves and particles. For example, a single photon may be refracted by a lens or exhibit wave interference with itself, but also act as a particle giving a definite result when its position is measured.
The modern concept of the photon was developed gradually by Albert Einstein to explain experimental observations that did not fit the classical wave model of light. In particular, the photon model accounted for the frequency dependence of lights energy, and explained the ability of matter and radiation to be in thermal equilibrium. It also accounted for anomalous observations, including the properties of black body radiation, that other physicists, most notably Max Planck, had sought to explain using semiclassical models, in which light is still described by Maxwells equations, but the material objects that emit and absorb light are quantized. Although these semiclassical models contributed to the development of quantum mechanics, further experiments validated Einsteins hypothesis that light itself is quantized; the quanta of light are photons.
In the Standard Model of particle physics, photons are described as a necessary consequence of physical laws having a certain symmetry at every point in spacetime. The intrinsic properties of photons, such as charge, mass and spin, are determined by the properties of this gauge symmetry. The photon concept has led to momentous advances in experimental and theoretical physics, such as lasers, Bose–Einstein condensation, quantum field theory, and the probabilistic interpretation of quantum mechanics. It has been applied to photochemistry, high-resolution microscopy, and measurements of molecular distances. Recently, photons have been studied as elements of quantum computers and for sophisticated applications in optical communication such as quantum cryptography.
Contents
1 Nomenclature
2 Physical properties
2.1 Experimental checks on photon mass
3 Historical development
4 Early objections
5 Wave–particle duality and uncertainty principles
6 Bose–Einstein model of a photon gas
7 Stimulated and spontaneous emission
8 Second quantization
9 The photon as a gauge boson
10 Contributions to the mass of a system
11 Photons in matter
12 Technological applications
13 Recent research
14 See also
15 Notes
16 References
17 Additional references
Nomenclature
Standard model of particle physics
Standard Model
Background
Constituents
Limitations
Theorists
v t e
In 1900, Max Planck was working on black-body radiation and suggested that the energy in electromagnetic waves could only be released in "packets" of energy. In his 1901 article in Annalen der Physik he called these packets "energy elements". The word quanta (singular quantum) was used even before 1900 to mean particles or amounts of different quantities, including electricity. Later, in 1905 Albert Einstein went further by suggesting that electromagnetic waves could only exist in these discrete wave-packets. He called such a wave-packet the light quantum (German: das Lichtquant). The name photon derives from the Greek word for light, φῶς (transliterated phôs), and was coined1 in 1926 by the physical chemist Gilbert Lewis, who published a speculative theory in which photons were "uncreatable and indestructible". Although Lewis theory was never accepted as it was contradicted by many experiments, his new name, photon, was adopted immediately by most physicists. Isaac Asimov credits Arthur Compton with defining quanta of energy as photons in 1923.
In physics, a photon is usually denoted by the symbol γ (the Greek letter gamma). This symbol for the photon probably derives from gamma rays, which were discovered in 1900 by Paul Villard, named by Ernest Rutherford in 1903, and shown to be a form of electromagnetic radiation in 1914 by Rutherford and Edward Andrade. In chemistry and optical engineering, photons are usually symbolized by hν, the energy of a photon, where h is Plancks constant and the Greek letter ν (nu) is the photons frequency. Much less commonly, the photon can be symbolized by hf, where its frequency is denoted by f.
Physical properties
See also: Special relativity
The photon is massless,2 has no electric charge, and is stable. A photon has two possible polarization states and is described by exactly three continuous parameters: the components of its wave vector, which determine its wavelength λ and its direction of propagation. The photon is the gauge boson for electromagnetism, and therefore all other quantum numbers of the photon (such as lepton number, baryon number, and flavour quantum numbers) are zero.
Photons are emitted in many natural processes. For example, when a charge is accelerated it emits synchrotron radiation. During a molecular, atomic or nuclear transition to a lower energy level, photons of various energy will be emitted, from infrared light to gamma rays. A photon can also be emitted when a particle and its corresponding antiparticle are annihilated (for example, electron-positron annihilation).
In empty space, the photon moves at c (the speed of light) and its energy and momentum are related by E = pc, where p is the magnitude of the momentum vector p. This derives from the following relativistic relation, with m = 0:
The energy and momentum of a photon depend only on its frequency (ν) or inversely, its wavelength (λ):
where k is the wave vector (where the wave number k = |k| = 2π/λ), ω = 2πν is the angular frequency, and ħ = h/2π is the reduced Planck constant.
Since p points in the direction of the photons propagation, the magnitude of the momentum is
The photon also carries spin angular momentum that does not depend on its frequency. The magnitude of its spin is and the component measured along its direction of motion, its helicity, must be ±ħ. These two possible helicities, called right-handed and left-handed, correspond to the two possible circular polarization states of the photon.
To illustrate the significance of these formulae, the annihilation of a particle with its antiparticle in free space must result in the creation of at least two photons for the following reason. In the center of mass frame, the colliding antiparticles have no net momentum, whereas a single photon always has momentum (since it is determined, as we have seen, only by the photons frequency or wavelength—which cannot be zero). Hence, conservation of momentum (or equivalently, translational invariance) requires that at least two photons are created, with zero net momentum. (However, it is possible if the system interacts with another particle or field for annihilation to produce one photon, as when a positron annihilates with a bound atomic electron, it is possible for only one photon to be emitted, as the nuclear Coulomb field breaks translational symmetry.) The energy of the two photons, or, equivalently, their frequency, may be determined from conservation of four-momentum. Seen another way, the photon can be considered as its own antiparticle. The reverse process, pair production, is the dominant mechanism by which high-energy photons such as gamma rays lose energy while passing through matter. That process is the reverse of "annihilation to one photon" allowed in the electric field of an atomic nucleus.
The classical formulae for the energy and momentum of electromagnetic radiation can be re-expressed in terms of photon events. For example, the pressure of electromagnetic radiation on an object derives from the transfer of photon momentum per unit time and unit area to that object, since pressure is force per unit area and force is the change in momentum per unit time.
Experimental checks on photon mass
The photon is currently understood to be strictly massless, but this is an experimental question. If the photon is not a strictly massless particle, it would not move at the exact speed of light in vacuum, c. Its speed would be lower and depend on its frequency. Relativity would be unaffected by this; the so-called speed of light, c, would then not be the actual speed at which light moves, but a constant of nature which is the maximum speed that any object could theoretically attain in space-time. Thus, it would still be the speed of space-time ripples (gravitational waves and gravitons), but it would not be the speed of photons.
A massive photon would have other effects as well. Coulombs law would be modified and the electromagnetic field would have an extra physical degree of freedom. These effects yield more sensitive experimental probes of the photon mass than the frequency dependence of the speed of light. If Coulombs law is not exactly valid, then that would cause the presence of an electric field inside a hollow conductor when it is subjected to an external electric field. This thus allows one to test Coulombs law to very high precision. A null result of such an experiment has set a limit of m ≲ 10−14 eV/c2.
Sharper upper limits have been obtained in experiments designed to detect effects caused by the galactic vector potential. Although the galactic vector potential is very large because the galactic magnetic field exists on very long length scales, only the magnetic field is observable if the photon is massless. In case of a massive photon, the mass term would affect the galactic plasma. The fact that no such effects are seen implies an upper bound on the photon mass of m 3×10−27 eV/c2. The galactic vector potential can also be probed directly by measuring the torque exerted on a magnetized ring. Such methods were used to obtain the sharper upper limit of 10−18eV/c2 (thats m ≤ 0.999889861 zeV/c2, or 9.99889861×10−22 eV/c2, the equivalent of 1.07342588×10−30 atomic mass units) given by the Particle Data Group.
These sharp limits from the non-observation of the effects caused by the galactic vector potential have been shown to be model dependent. If the photon mass is generated via the Higgs mechanism then the upper limit of m≲10−14 eV/c2 from the test of Coulombs law is valid.
Photons inside superconductors do develop a nonzero effective rest mass; as a result, electromagnetic forces become short-range inside superconductors.
See also: Supernova/Acceleration Probe
Historical development
Main article: Light
Thomas Youngs double-slit experiment in 1805 showed that light can act as a wave, helping to defeat early particle theories of light.
In most theories up to the eighteenth century, light was pictured as being made up of particles. Since particle models cannot easily account for the refraction, diffraction and birefringence of light, wave theories of light were proposed by René Descartes (1637), Robert Hooke (1665), and Christian Huygens (1678); however, particle models remained dominant, chiefly due to the influence of Isaac Newton. In the early nineteenth century, Thomas Young and August Fresnel clearly demonstrated the interference and diffraction of light and by 1850 wave models were generally accepted. In 1865, James Clerk Maxwells prediction that light was an electromagnetic wave—which was confirmed experimentally in 1888 by Heinrich Hertzs detection of radio waves—seemed to be the final blow to particle models of light.
In 1900, Maxwells theoretical model of light as oscillating electric and magnetic fields seemed complete. However, several observations could not be explained by any wave model of electromagnetic radiation, leading to the idea that light-energy was packaged into quanta described by E=hν. Later experiments showed that these light-quanta also carry momentum and, thus, can be considered particles: the photon concept was born, leading to a deeper understanding of the electric and magnetic fields themselves.
The Maxwell wave theory, however, does not account for all properties of light. The Maxwell theory predicts that the energy of a light wave depends only on its intensity, not on its frequency; nevertheless, several independent types of experiments show that the energy imparted by light to atoms depends only on the lights frequency, not on its intensity. For example, some chemical reactions are provoked only by light of frequency higher than a certain threshold; light of frequency lower than the threshold, no matter how intense, does not initiate the reaction. Similarly, electrons can be ejected from a metal plate by shining light of sufficiently high frequency on it (the photoelectric effect); the energy of the ejected electron is related only to the lights frequency, not to its intensity.3
At the same time, investigations of blackbody radiation carried out over four decades (1860–1900) by various researchers culminated in Max Plancks hypothesis that the energy of any system that absorbs or emits electromagnetic radiation of frequency ν is an integer multiple of an energy quantum E=hν. As shown by Albert Einstein, some form of energy quantization must be assumed to account for the thermal equilibrium observed between matter and electromagnetic radiation; for this explanation of the photoelectric effect, Einstein received the 1921 Nobel Prize in physics.
Since the Maxwell theory of light allows for all possible energies of electromagnetic radiation, most physicists assumed initially that the energy quantization resulted from some unknown constraint on the matter that absorbs or emits the radiation. In 1905, Einstein was the first to propose that energy quantization was a property of electromagnetic radiation itself. Although he accepted the validity of Maxwells theory, Einstein pointed out that many anomalous experiments could be explained if the energy of a Maxwellian light wave were localized into point-like quanta that move independently of one another, even if the wave itself is spread continuously over space. In 1909 and 1916, Einstein showed that, if Plancks law of black-body radiation is accepted, the energy quanta must also carry momentum p=h/λ, making them full-fledged particles. This photon momentum was observed experimentally by Arthur Compton, for which he received the Nobel Prize in 1927. The pivotal question was then: how to unify Maxwells wave theory of light with its experimentally observed particle nature? The answer to this question occupied Albert Einstein for the rest of his life, and was solved in quantum electrodynamics and its successor, the Standard Model (see Second quantization and The photon as a gauge boson, below).
Early objections
Up to 1923, most physicists were reluctant to accept that light itself was quantized. Instead, they tried to explain photon behavior by quantizing only matter, as in the Bohr model of the hydrogen atom (shown here). Even though these semiclassical models were only a first approximation, they were accurate for simple systems and they led to quantum mechanics.
Einsteins 1905 predictions were verified experimentally in several ways in the first two decades of the 20th century, as recounted in Robert Millikans Nobel lecture. However, before Comptons experiment showing that photons carried momentum proportional to their wave number (or frequency) (1922), most physicists were reluctant to believe that electromagnetic radiation itself might be particulate. (See, for example, the Nobel lectures of Wien, Planck and Millikan.). Instead, there was a widespread belief that energy quantization resulted from some unknown constraint on the matter that absorbs or emits radiation. Attitudes changed over time. In part, the change can be traced to experiments such as Compton scattering, where it was much more difficult not to ascribe quantization to light itself to explain the observed results.
Even after Comptons experiment, Niels Bohr, Hendrik Kramers and John Slater made one last attempt to preserve the Maxwellian continuous electromagnetic field model of light, the so-called BKS model. To account for the data then available, two drastic hypotheses had to be made:
Energy and momentum are conserved only on the average in interactions between matter and radiation, not in elementary processes such as absorption and emission. This allows one to reconcile the discontinuously changing energy of the atom (jump between energy states) with the continuous release of energy into radiation.
Causality is abandoned. For example, spontaneous emissions are merely emissions induced by a "virtual" electromagnetic field.
However, refined Compton experiments showed that energy-momentum is conserved extraordinarily well in elementary processes; and also that the jolting of the electron and the generation of a new photon in Compton scattering obey causality to within 10 ps. Accordingly, Bohr and his co-workers gave their model "as honorable a funeral as possible". Nevertheless, the failures of the BKS model inspired Werner Heisenberg in his development of matrix mechanics.
A few physicists persisted in developing semiclassical models in which electromagnetic radiation is not quantized, but matter appears to obey the laws of quantum mechanics. Although the evidence for photons from chemical and physical experiments was overwhelming by the 1970s, this evidence could not be considered as absolutely definitive; since it relied on the interaction of light with matter, a sufficiently complicated theory of matter could in principle account for the evidence. Nevertheless, all semiclassical theories were refuted definitively in the 1970s and 1980s by photon-correlation experiments.4 Hence, Einsteins hypothesis that quantization is a property of light itself is considered to be proven.
Wave–particle duality and uncertainty principles
See also: Wave–particle duality, Squeezed coherent state, and Uncertainty principle
Photons, like all quantum objects, exhibit both wave-like and particle-like properties. Their dual wave–particle nature can be difficult to visualize. The photon displays clearly wave-like phenomena such as diffraction and interference on the length scale of its wavelength. For example, a single photon passing through a double-slit experiment lands on the screen exhibiting interference phenomena but only if no measure was made on the actual slit being run across. To account for the particle interpretation that phenomenon is called probability distribution but behaves according to Maxwells equations. However, experiments confirm that the photon is not a short pulse of electromagnetic radiation; it does not spread out as it propagates, nor does it divide when it encounters a beam splitter. Rather, the photon seems to be a point-like particle since it is absorbed or emitted as a whole by arbitrarily small systems, systems much smaller than its wavelength, such as an atomic nucleus (≈10−15 m across) or even the point-like electron. Nevertheless, the photon is not a point-like particle whose trajectory is shaped probabilistically by the electromagnetic field, as conceived by Einstein and others; that hypothesis was also refuted by the photon-correlation experiments cited above. According to our present understanding, the electromagnetic field itself is produced by photons, which in turn result from a local gauge symmetry and the laws of quantum field theory (see the Second quantization and Gauge boson sections below).
Heisenbergs thought experiment for locating an electron (shown in blue) with a high-resolution gamma-ray microscope. The incoming gamma ray (shown in green) is scattered by the electron up into the microscopes aperture angle θ. The scattered gamma ray is shown in red. Classical optics shows that the electron position can be resolved only up to an uncertainty Δx that depends on θ and the wavelength λ of the incoming light.
A key element of quantum mechanics is Heisenbergs uncertainty principle, which forbids the simultaneous measurement of the position and momentum of a particle along the same direction. Remarkably, the uncertainty principle for charged, material particles requires the quantization of light into photons, and even the frequency dependence of the photons energy and momentum. An elegant illustration is Heisenbergs thought experiment for locating an electron with an ideal microscope. The position of the electron can be determined to within the resolving power of the microscope, which is given by a formula from classical optics
where is the aperture angle of the microscope. Thus, the position uncertainty can be made arbitrarily small by reducing the wavelength λ. The momentum of the electron is uncertain, since it received a "kick" from the light scattering from it into the microscope. If light were not quantized into photons, the uncertainty could be made arbitrarily small by reducing the lights intensity. In that case, since the wavelength and intensity of light can be varied independently, one could simultaneously determine the position and momentum to arbitrarily high accuracy, violating the uncertainty principle. By contrast, Einsteins formula for photon momentum preserves the uncertainty principle; since the photon is scattered anywhere within the aperture, the uncertainty of momentum transferred equals
giving the product , which is Heisenbergs uncertainty principle. Thus, the entire world is quantized; both matter and fields must obey a consistent set of quantum laws, if either one is to be quantized.
The analogous uncertainty principle for photons forbids the simultaneous measurement of the number of photons (see Fock state and the Second quantization section below) in an electromagnetic wave and the phase of that wave
See coherent state and squeezed coherent state for more details.
Both photons and material particles such as electrons create analogous interference patterns when passing through a double-slit experiment. For photons, this corresponds to the interference of a Maxwell light wave whereas, for material particles, this corresponds to the interference of the Schrödinger wave equation. Although this similarity might suggest that Maxwells equations are simply Schrödingers equation for photons, most physicists do not agree. For one thing, they are mathematically different; most obviously, Schrödingers one equation solves for a complex field, whereas Maxwells four equations solve for real fields. More generally, the normal concept of a Schrödinger probability wave function cannot be applied to photons. Being massless, they cannot be localized without being destroyed; technically, photons cannot have a position eigenstate , and, thus, the normal Heisenberg uncertainty principle does not pertain to photons. A few substitute wave functions have been suggested for the photon, but they have not come into general use. Instead, physicists generally accept the second-quantized theory of photons described below, quantum electrodynamics, in which photons are quantized excitations of electromagnetic modes.
Bose–Einstein model of a photon gas
Main articles: Bose gas, Bose–Einstein statistics, Spin-statistics theorem, and Gas in a box
In 1924, Satyendra Nath Bose derived Plancks law of black-body radiation without using any electromagnetism, but rather a modification of coarse-grained counting of phase space. Einstein showed that this modification is equivalent to assuming that photons are rigorously identical and that it implied a "mysterious non-local interaction", now understood as the requirement for a symmetric quantum mechanical state. This work led to the concept of coherent states and the development of the laser. In the same papers, Einstein extended Boses formalism to material particles (bosons) and predicted that they would condense into their lowest quantum state at low enough temperatures; this Bose–Einstein condensation was observed experimentally in 1995.
The modern view on this is that photons are, by virtue of their integer spin, bosons (as opposed to fermions with half-integer spin). By the spin-statistics theorem, all bosons obey Bose–Einstein statistics (whereas all fermions obey Fermi-Dirac statistics).
Stimulated and spontaneous emission
Main articles: Stimulated emission and Laser
Stimulated emission (in which photons "clone" themselves) was predicted by Einstein in his kinetic analysis, and led to the development of the laser. Einsteins derivation inspired further developments in the quantum treatment of light, which led to the statistical interpretation of quantum mechanics.
In 1916, Einstein showed that Plancks radiation law could be derived from a semi-classical, statistical treatment of photons and atoms, which implies a relation between the rates at which atoms emit and absorb photons. The condition follows from the assumption that light is emitted and absorbed by atoms independently, and that the thermal equilibrium is preserved by interaction with atoms. Consider a cavity in thermal equilibrium and filled with electromagnetic radiation and atoms that can emit and absorb that radiation. Thermal equilibrium requires that the energy density of p
photon
الفوتون وحده الكم الضوئي، الفوتون
foton
photon
photon
fotón
fotone
واحد شدت نور وارده بشبکیه چشم
نمایش تصویر
اطلاعات بیشتر واژه
ترکیب:
مختصات:
(فره )
الگوی تکیه:
WS
نقش دستوری:
اسم
آواشناسی:
foton
منبع:
واژهنامه آزاد
معادل ابجد:
542
شمارگان هجا:
2
دیگر زبان ها
انگلیسی
photon
ترکی
foton
فرانسوی
photon
آلمانی
photon
اسپانیایی
fotón
ایتالیایی
fotone
عربی
الفوتون وحده الكم الضوئي | الفوتون
تشریح نگارش (هوش مصنوعی)
کلمه "فوتون" در زبان فارسی به معنای ذرهای از نور یا تابش الکترومغناطیسی است. برای استفاده صحیح از این کلمه و نگارش آن، میتوانید به نکات زیر توجه کنید:
-
نوشتار صحیح: کلمه "فوتون" به این شکل نوشته میشود و نیازی به تغییر یا تحریفی ندارد.
-
مفهوم و کاربرد: فوتون به عنوان واحدی از نور در علم فیزیک، معمولاً در مباحث مربوط به نور، اپتیک و فیزیک کوانتومی مورد استفاده قرار میگیرد.
-
نحو و جملات مثال:
- "فوتونها میتوانند رفتارهای موجی و ذرهای را از خود نشان دهند."
- "انتقال انرژی با استفاده از فوتونها در فرآیندهای نوری اتفاق میافتد."
-
جمعسازی: جمع کلمه "فوتون"، "فوتونها" است. به عنوان مثال: "فوتونها در طیفهای مختلف انرژی قرار دارند."
- استفاده در متون علمی: در متون تخصصی، ممکن است واژههای مرتبط با فوتون نیز به کار رود، مانند "تشعشع"، "انرژی"، "موج" و غیره.
با رعایت این نکات، میتوانید به طور صحیح از کلمه "فوتون" در نگارش فارسی استفاده کنید.
مثال برای واژه (هوش مصنوعی)
- فوتونها به عنوان ذرات پایه نور، در تمام فعالیتهای نوری نقش اساسی دارند.
- تحقیقات اخیر نشان دادهاند که فوتونها میتوانند اطلاعات را با سرعتی نزدیک به سرعت نور انتقال دهند.
- در فیزیک کوانتومی، فوتونها به عنوان حاملان نیروی الکترومغناطیسی شناخته میشوند.
واژگان مرتبط: واحد شدت نور وارده بشبکیه چشم