1. الضوء والإشعاع

الفوتونات (3 \ 4)

ما هي خصائص الفوتونات؟

• لديها الكثير، فسرعتها أعلى بكثير من الجزيئات التي نواجهها في حياتنا اليومية. أما في الفراغ فإنها تسافر بسرعة
  
  c=2.998·10⁸ m/s
  و هذه هي سرعة الضوء، التي تعالج في إطار الموجات الكهرومغناطيسية. تماما مثل الموجات الكهرومغناطيسية، الفوتونات لها سرعة أقل بقليل عند إنتشارها خلال مواد شفافة. و الفوتونات لا تستطيع التحرك بشكل أسرع ولا أبطأ من سرعة الضوء!
• الفوتونات ليس لها كتلة بالمقارنة مع غيرها من الجزيئات المعروفة في حياتنا اليومية.
• تمتلك الفوتونات طاقة E و زخم p حيث أن:
  $E=hf$                      $p=\frac{h}{\lambda }$
  الكميات f و λ تعبر عن التردد و الطول الموجي للموجات الكهرومغناطيسية.
• في البداية تبدو هذه العلاقات متعارضة. فهي تجمع بين خصائص الجسيمات (الطاقة و الزخم) و كذلك خصائص الموجات (التردد و الطول الموجي)، و التي على حد فهمنا تبدو لا علاقة لها ببعضها على الاطلاق. ومع ذلك، فإن هذا من المعتاد جدا في فيزياء الكم. فالضوء يمتلك خصائص كل من الأمواج و الجسيمات في نفس الوقت! ويسمى هذا بـ مثنوية جسيم-موجة.
• الأمواج و الجسيمات هي نماذج متكاملة للضوء:
  $f\leftrightarrow E$
  $\lambda \leftrightarrow p$
• إن خصائص الموجة و الجسيم مرتبطة معا من خلال ثابت Planck
  
  h=6.626·10^-34 J s .
  إن ثابت Planck أحد أهم الثوابت الأساسية في فيزياء الكم.

إن الكتلة و الطاقة و الزخم للفوتونات و الجسيمات مشروحة مفصلا في الملحق رقم 5.

ما هي الوحدات التي تستخدم للدلالة على طاقة الفوتون؟ وحدة الجول (أو واط ثانية) يمكن أن تنتج قيم رقمية صغيرة للغاية بحوالي 10 ^-20 جول للفوتونات في مدى الطيف المرئي. و لذلك فإن وحدة إلكترون فولت electronvolt (eV) مفضلة أكثر. وهي ليست وحدة في نظام الوحدات الدولي. حيث أن 1 إلكترون فولت يعادل 1.6·10^-19 جول في نظام الوحدات الدولي.

طيف الضوء المرئي على مدى الطول الموجي و طاقة الفوتون.

يمكننا الآن محاولة إعطاء أجوبة للأسئلة التي لم نتمكن من إجابتها سابقا: ما هي طاقة و كثافة الضوء؟ أي نوع من الضوء يعطي لونا لبشرتنا؟ كيف نرى الألوان؟...

يمكن أن تمتص الفوتونات من قبل الذرات و الجزيئات شريطة أن يكون لديهم طاقة الفوتون اللازمة للإمتصاص. أما على خلاف ذلك، فالأجسام المضيئة إما تكون شفافة أو عاكسة. إكتساب الجلد لونا هو نتيجة تفاعل كيميائي و الذي يتطلب طاقات فوتون تبلغ نحو 3 إلكترون فولت، و هو ما يقابل بذلك اللون الأزرق أو الأشعة فوق البنفسجية ذات الطول الموجي 400 نانومتر. ولذا، فالضوء المرئي ليس لديه ما يكفي من الكثافة في مدى الطول الموجي هذا - مثل المصباح الكهربائي - غير قادر على إعطاء لون للجلد.