الطبيعة الجسيمية للضوء |

الضوء له خصائص موجية لأنه موجة ينعكس و ينكسر و يتداخل و يحيد. و لكن هناك بعض التجارب مثل تأثير كومبتون تفترض أن الضوء يسلك سلوك الأجسام (الطبيعة الجسيمية للضوء). سميت هذه الجسيمات بالفوتونات. و من المهم معرفة خصائص الفوتون و كتلته.

الخصائص الموجية للضوء

في تشمل خواص الأنعكاس و الأنكسار و التداخل و الحيود.

خصائص الفوتون

كيف يتم إشتقاق الكميات التي تصف الفوتون كجسيم أو خصائص الضوء الجسمية؟ خصائص الفوتون تنقسم الى نوعين من الخصائص خصائص موجية متمثلة في كميات فيزيائية مثل الطول الموجي λ و التردد ν و السرعة V و الخصائص الجسمية تتمثل فيه كميات مثل كتلة الفوتون m و كمية تحركه P_L.

الطبيعة الجسيمية للضوء

تم التوصل إلى أن هناك خصائص جسمية للضوء من خلال تأثير كومبتون و التي لا يمكن تفسيرها إلا من خلال افتراض أن الضوء جسيم وبالتالي يمكنك من خلال ذلك تفسير الظاهرة. و لكن سوف تتجلى مجموعة من الأسئلة أهمها

طالما أن الضوء جسيم فما هي كتلته و كميه تحركه؟
لماذا لا نرى تأثير الجسيمي للضوء في حياتنا اليومية مثل دفع الأشياء؟

كتلة الفوتون

كتلة الضوء يمكن تعيينها بمساواة علاقة اينشتاين مع علاقة بلانك

علاقة اينشتاين

علاقة اينشتاين تستخدم في الربط بين الكتلة والطاقة و هي

$E = m c^2$

علاقة اينشتاين تستخدم في الربط بين الكتلة والطاقة و تستخدم في حساب الطاقة الناتجة عن تحول جزء من الكتلة الى طاقة أو العكس. في المثال المشهور عن تحول الكتلة الى طاقة و هو عملية الإنشطار النووي. يصاحب عملية الانشطار طاقة ناتجة من تحول الكتلة (جزء من كتلة نواة الذرة المنشطرة). يتم استخدام تحول الكتلة الى طاقة استخداما سلميا في المفاعلات النووية و استخدامها عسكريا في القنابل الذرية.

ملحوظة أخرى هو أن الكتلة يتم ضربها في مربع سرعة الضوء وهو مقدار كبير جدا. لذلك فإنه حتى و لو كانت كتلة المتحولة صغيرة فإنها تنتج كم كبير من الطاقة

تربط بين الكتلة و الطاقة و تردد الفوتون

$m c^2 = h \nu$

فعند مساواة العلاقتين يمكن استنتاج علاقة تربط بين كتلة الفوتون أو كمية تحركة و تردده في معادلة تعبر عن ربط الطبيعة الجسيمية للضوء بالخواص الموجية كالاتي

$m = \frac{h \nu}{c^2} = \frac{h}{\lambda c}$

$mc = \frac{h \nu}{c} = \frac{h}{\lambda}$

و يتم الحصول على كتلة m و كمية تحرك الفوتون mc. و في النهاية تم تحديد الطبيعة الجسيمية للضوء من كتلة و كمية تحرك.

القوى التي يؤثر بها شعاع ضوئي على سطح عاكس

نجد في النهاية أن العلاقة التي تربط بين قوة شعاع من الضوء و قدرة هذا الشعاع و يقصد بالقدرة هي الطاقة الكامنة في الشعاع الساقط خلال واحد ثانية. و العلاقة هي أن لأي جسم عاكس تكون القوى المؤثرة عليه من شعاع ضوئي منعكس بتساوي

$F = \frac{2 P_W}{C}$

و يمكن كتابة قدرة الشعاع بهذه العلاقة

$P_W = h \nu \Phi_L$

حيث أن $\Phi_L$ هي عدد الفوتونات في الثانية الواحدة. مع الأخذ في الأعتبار أن يكون السطح عاكس و الشعاع ساقط عمودي. و نظرا لأنه يتم قسمة قدرة إشعاع على سرعة الضوء وهي مقدار كبير ( 300,000,000 ) للحصول على القوة. فإنه من المتوقع أن تكون القوى صغيرة جدا. فلا تؤثر على جسم كبير مثل الكرة أو الحائط تأثيرا ملحوظا. و لكن بالنسبة للإلكترون هذه القوة تستطيع تحريكه و قذفه بعيدا نظرا لصغر كتلتة و حجمه و هذا هو تفسير ظاهرة کومتون. و يفسر لماذا لم يلاحظ الانسان في الطبيعة الجسيمية للضوء للضوء في حياته اليومية.

لمزيد من التفاصيل عليك مشاهدة فيديو الخواص الجسيمية للضوء

يمكنك الأختبار لتأكد من فهمك من خلال اختبار على الطبيعة الجسيمية و تأثير كومتون.

دروس إزدواجية الموجة والجسيم