تفاعل الضوء والمادة والفوتونات
يُعد مفهوم الفوتون والمعالجة الكمومية لكيفية امتصاص الضوء وانبعاثه بواسطة الذرات أساس التبادل المنفصل للطاقة بين الضوء والمادة.
Definition
وصف الضوء على أنه كمّات من الطاقة والزخم، أي الفوتونات، ووصف العمليات الكمومية التي تمتص بها الذرات والجزيئات هذه الفوتونات وتطلقها، والتي تحكمها قوانين حفظ الطاقة وقواعد الانتقال الكمومي.
Scope
يغطي هذا الموضوع الطبيعة الكمومية للضوء كفوتونات منفصلة والتفاعلات الأساسية للضوء مع المادة. ويشمل الأدلة التاريخية على الفوتونات من التأثير الكهروضوئي وتأثير كومبتون، وطاقة الفوتون وزخمه، والمعالجة الميكانيكية الكمومية للامتصاص، والانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز، وقواعد الانتقاء، ودور كثافة الحالات والديناميكا الكهربائية الكمومية للتجويف في تعديل الانبعاث، والكشف عن الفوتون الواحد. ويربط الجانب الجسيمي للضوء بمستويات الطاقة الذرية ويوفر الأساس لكسب الليزر ولتقنيات الفوتون الواحد.
Core questions
- ما الدليل التجريبي الذي يظهر أن الضوء مكمم إلى فوتونات؟
- كم تحمل الفوتونات من طاقة وزخم؟
- كيف تمتص الذرات الفوتونات وتطلقها في الانتقالات بين مستويات الطاقة؟
- كيف يمكن تعديل معدل الانبعاث التلقائي؟
Key concepts
- طاقة الفوتون وزخمه
- التأثير الكهروضوئي
- تأثير كومبتون
- الامتصاص والانبعاث
- قواعد الانتقاء
- معدل الانبعاث التلقائي
- الديناميكا الكهربائية الكمومية للتجويف
- الكشف عن الفوتون الواحد
Key theories
- الفوتون والتأثير الكهروضوئي
- اقترح أينشتاين في عام 1905 أن طاقة الضوء تأتي في كمّات من الطاقة تتناسب مع التردد، موضحًا التأثير الكهروضوئي؛ وأكد تأثير كومبتون لاحقًا أن الفوتونات تحمل زخمًا أيضًا.
- النظرية الكمومية للامتصاص والانبعاث
- تمتص الانتقالات بين مستويات الطاقة الذرية أو تطلق فوتونات ذات طاقة مطابقة؛ ويتم التعامل مع الانبعاث التلقائي، والانبعاث المحفز، والامتصاص ميكانيكيًا كموميًا، مع اعتماد معدلات الانبعاث على البيئة الكهرومغناطيسية.
Clinical relevance
تُعد صورة الفوتون أساسًا للقياس الكمي للضوء في العلاج الضوئي والعلاج الديناميكي الضوئي، وتشغيل كاشفات الفوتون الواحد في تصوير عمر الفلورة والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني الومضاني، وتفسير كيفية إيداع الضوء للطاقة في الأنسجة.
History
أدخل بلانك في عام 1900 تكميم الطاقة، وفرضية أينشتاين للكم الضوئي في عام 1905، مفهوم الانفصال في الإشعاع، وحصل أينشتاين على جائزة نوبل عام 1921 عن عمله في التأثير الكهروضوئي. أكدت تجربة تشتت كومبتون عام 1923 زخم الفوتون، وقدم تكميم ديراك للمجال في عام 1927 النظرية الحديثة لتفاعل الضوء والمادة.
Key figures
- Albert Einstein
- Max Planck
- Arthur Compton
- Paul Dirac
Related topics
Seminal works
- loudon2000
- einstein1905
Frequently asked questions
- هل الضوء موجة أم جسيم؟
- يُظهر الضوء سلوكًا مزدوجًا، فهو ينتشر ويتداخل كموجة ولكنه يتبادل الطاقة والزخم مع المادة في كمّات منفصلة تسمى الفوتونات، وهو تكامل تلتقطه النظرية الكمومية.
- ما هي طاقة الفوتون الواحد؟
- طاقة الفوتون هي ثابت بلانك مضروبًا في تردده، لذا فإن الضوء ذو التردد الأعلى والطول الموجي الأقصر مثل الأشعة فوق البنفسجية يحمل طاقة أكبر لكل فوتون من الضوء ذي التردد الأقل مثل الأشعة تحت الحمراء.