ما هو زخم الفوتون؟ وكيفية حسابه

نظرة عامة حول مفهومي الزخم والفوتون

يعرف الزخم بأنه مقدار الكمية الكلية للحركة التي يقوم بها الجسم المتحرك، ويتم قياسه على أنه ناتج ضرب كتلة الجسم بسرعته، ويعتبر الزخم كمية متجهة، ويكون اتجاهه باتجاه سرعة الجسم دائماً، ومن الجدير بالذكر هنا أنّ الزخم يعتبر كمية محفوظة؛ مما يعني أن الزخم الكلي لأي نظام مغلق لا يمكن تغييره، وأما عن وحدة قياسه فإن الزخم لا يمتلك وحدة عالمية خاصة به وإنما يقاس بوحداته الأساسية وهي: كغم. م/ ثانية.^[١][٢]

أما الفوتون فهو أحد الجسيمات الأولية، وهو الجزء من المجال الكهرومغناطيسي الذي يشتمل على الإشعاع الكهرومغناطيسي مثل الضوء وموجات الراديو، ومن الجدير بالذكر بأن الفوتون يصنف تحت فئة البوزونات، وعلى الرغم من أن الفوتونات ليس لها كتلة، إلا أنها لها زخم، ويرتبط زخم الفوتون بطول موجته.^[٣]

وبشكل عام يمكن القول إن الفوتونات تتميز بخصائص كل من الجسيمات والموجات في نفس الوقت، إذ يصنف معظم العلماء الفوتون على أنه حزمة فريدة من الطاقة لها خصائص كل من الموجات والجسيمات.^[٤]

كيفية حساب زخم الفوتون

تتمثل العلاقة الرياضية المستخدمة في حساب زخم الفوتون كالآتي:^[٥]

• زخم الفوتون (p) = ثابت بلانك (h)/ الطول الموجي (λ)؛ حيث ثابت بلانك هو قيمة ثابتة تساوي 6.63×10^-34 جول/ ثانية.

• مثال: جد زخم فوتون من الضوء إذا علمت أن الطول الموجي لشعاع الضوء هو 4x10^-7 متر، باستخدام صيغة زخم الفوتون.^[٥]
• الحل:
• زخم الفوتون (p) = ثابت بلانك (h) ÷ الطول الموجي (λ).
• زخم الفوتون (p) = (6.63×10^-34) ÷ (5×10^-7)
• زخم الفوتون (p) = 10^-27 ×1.6575 كغم.م/ ثانية.

طاقة الفوتونات

ترتبط طاقة الفوتون بتردده وتتناسب طردياً معه، ويعبّر عنها بالعلاقة الآتية: طاقة الفوتون = ثابت بلانك × تردد الفوتون، فعلى سبيل المثال يحمل الفوتون الواحد من الضوء المرئي طاقة مقدارها 10^-19 جول، ويجدر بالذكر أن فوتونات أشعة جاما أكبر قدر من الطاقة والزخم في الطيف الكهرومغناطيسي.^[٣]

خصائص الفوتون

يتميز الفوتون بالكثير من الخصائص، ومنها:^[٤]

• يتحرك بسرعة ثابتة مقدارها 2.9979* (10⁸) أي بسرعة الضوء، في مساحة فارغة ولديه كتلة صفرية وطاقة سكون.
• يحمل الفوتون طاقة وزخم يرتبطان بالتردد والطول الموجي للموجة الكهرومغناطيسية.
• يمكن تدميره أو إنشاؤه عند امتصاص أو انبعاث الإشعاع.
• يمكن أن يكون له تفاعلات كالجسيمات مع الإلكترونات والجسيمات الأخرى، كما هو الحال في تأثير كومبتون حيث تصطدم جسيمات الضوء بالذرات مما يسبب إطلاق الإلكترونات.

ينتج تأثير كومبتون عن التشتت غير المرن للفوتونات المرتبطة بالإلكترونات الحرة، ويكون للفوتون المبعثر عند تشتته بواسطة الإلكترون خلال تأثير كومبتون طاقة وزخم أقل، ويجدر بالذكر هنا أن تأثير كومبتون يختلف عن التأثير الكهروضوئي من ناحية أن الأخير ينتج عن الإلكترونات التي يتم طردها من سطح المادة عندما يتفاعل الإشعاع الكهرومغناطيسي مع الإلكترونات.^[٣]