1. الضوء والإشعاع

الفوتونات (2 \ 4)

كيف لنا أن نفسر الإشارات الملاحظة في تجربتنا؟ إن النبضات المسجلة بالعداد والظاهرة على راسم الذبذبات تقودنا إلى إفتراض أن مستشعر الضوء يستقبل الضوء ليس كموجة مستمرة بل على شكل أحداث فردية غير نظامية، كما هو الحال في الجسيمات!

في عام 1900 قدم عالم الفيزياء Max Planck للمرة الأولى الفرضية القائلة بأن الضوء يمتلك الخاصية المتقطعة و بالتالي له خصائص محددة الكم. من خلال كميات الضوء تمكن من شرح الكثافة المضيئة و شكل طيف الجسم الأسود.

في عام 1905 طبق Albert Einstein نفس مفهوم الضوء المكمم في سياق آخر مختلف تماما. فقد أراد معرفة كيف يمكن للضوء إطلاق سراح إلكترونات من أسطح المعادن، المعروفة بتأثير الكهروضوئية. مثل هذه الألكترونات يمكن إستخدامها لقياس الضوء. الإشارات في تجربتنا هذه أنتجت بنفس الطريقة!

كل نبضة تظهر على شاشة راسم الذبذبات تمثل إلكترون أطلق سراحة عن طريق فوتون على السطح المعدني للمستشعر. مثل هذه الإلكترونات تسمى الإلكترونات الضوئية. يقوم المستشعر بتضخيمها و تسجل بإعتبارها نبضة. الإلكترونات لها شحنة سالبة و بالتالي تبدو كنبضات سلبية على راسم الذبذبات.

لم يستخدم Einstein لا جهاز ولا راسم ذبذبات بمثل هذه الحساسية. هذه الأشياء أخترعت لأول مرة حوالي خمسين عاما لاحقا! ما كان يستخدمه هي نتائج تجربة آخرى موصوفة في واحدة من أوراق العمل.

هناك تجارب مادية أخرى لإثبات صحة نموذج الفوتون. و تشمل هذه:

• تأثير كومبتون : تتشتت الأشعة السينية من قبل ألكترونات حرة أو حتى ضعيفة و مقيدة.
• تأثير Mössbauer: أشعة غاما تنبعث و يعاد إمتصاصها من قبل النواة الذرية المشعة.

هذه تجارب رئيسية في الفيزياء. و مع ذلك فإنها لا تلعب دورا هاما في مراقبة الأرض من الفضاء الخارجي.

إن المواضيع المقدمة هنا عن البصريات و التحليل الطيفي للضوء مبينة طبيعة الفوتون للضوء معطاة المزيد من الأهمية:

• الإشعاعات المنبعثة من الأجسام السوداء، كما ذكر من قبل
• الإمتصاص و الإنبعاث لخطوط الطيف من قبل الذرات و الجزيئات. من خلال الإمتصاص الذي بقوم به المركبات في الغلاف الجوي، فطيف أشعة الشمس يتغير بينما يعبر الغلاف الجوي إلى سطح الأرض. على سبيل المثال أشعة الشمس فوق البنفسجية الضارة تمتص من قبل الأوزون. المزيد من هذه الأمثلة يتم مناقشتها في الفصل الرابع.

فيما تراقب السماء من الأرض بتلسكوب قد ترى أحيانا بعض الأجسام المتحركة بسرعة: المذنبات! نظرا لإشعاع الشمس القوي تصبح المذنبات غير مستقرة بصورة آلية عندما تقترب للشمس و بالتالي فإنها تفقد بعض الغبار و الجسيمات. و تظهر هذه المواد كذيل مشرق للمذنب.

أحيانا نرى ذيل مزدوج للمذنب؛ ذيل أزرق يتكون من جزيئات متأينة و ذيل أبيض يتكون من جسيمات الغبار. المذنب في الصورة أعلاه يظهر بوضوح كلا الذيلين. إن الإتجاهات المختلفة للذيلان ناتجة عن فوتونات أشعة الشمس: يدفع تأثيرها الجزيئات بعيدا عن الشمس، ما لم تكن الفوتونات قادرة على القيام بذلك مع الجسيمات الكبيرة ذات الكتل الأكبر.

في ورقة عمل سنقوم بإمعان النظر في ذيول المذنبات. لكن علينا أولا معرفة المزيد عن خصائص الفوتونات