Τι είναι το φωτόνιο;

Μπορεί το στοιχειώδες σωματίδιο του φωτός να είναι τόσο συνηθισμένο, κρύβει όμως και πολλές εκπλήξεις.

Αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν φωτόνια, είναι αυτό που σε απλή γλώσσα ονομάζουμε φως. Ως κβάντα φωτός, τα φωτόνια είναι τα μικρότερα δυνατά πακέτα ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Διαβάζοντας αυτό το άρθρο στην οθόνη μας, οι ροές φωτονίων μεταφέρουν τις εικόνες των λέξεων στα μάτια σας. Στην επιστήμη, τα φωτόνια χρησιμοποιούνται για κάτι περισσότερο πέρα από τον φωτισμό. Τα φωτόνια είναι πανταχού παρόντα στην Φυσική – τόσο πολύ που σχεδόν τα ξεχνάς.

Κύμα, Σωματίδιο, Μποζόνιο

Οι άνθρωποι προβληματίζονται για την φύση του φωτός από την αρχαιότητα, με τις πρώτες ιδέες να διατυπώνονται από φιλόσοφους και μελετητές στην Αίγυπτο, την Μεσοποταμία, την Ινδία και την Ελλάδα. Από το τέλος του 17ου και των αρχών του 20ού αιώνα, οι επιστήμονες ταλαντεύονταν μεταξύ σωματιδίου ή κύματος όσον αφορά την φύση του φωτός.

Το 1690, ο Christiaan Huygens δημοσίευσε την πραγματεία του για το φως με τίτλο: ‘Traité de la Lumière‘. Εκεί υποστηρίζει ότι το φως είναι κύματα που διαδίδονται στον αιθέρα, την αόρατη και μυστηριώδη ουσία που νόμιζαν ότι καταλαμβάνει όλο το σύμπαν. Ο Isaac Newton διατύπωσε την διαφωνία του στο βιβλίο με τίτλο ‘Opticks‘, που δημοσιεύθηκε το 1704.

Όταν το φως ανακλάται σε μια επιφάνεια, συμπεριφέρεται όπως ακριβώς ανακλάται μια ελαστική μπάλα. η γωνία πρόσπτωσης ισούται με την γωνία ανάκλασης. Ο Νεύτωνας υποστήριξε ότι αυτό το φαινόμενο, μεταξύ άλλων, θα μπορούσε να εξηγηθεί εφόσον το φως αποτελούταν από σωματίδια (corpuscules). Ένα γυάλινο πρίσμα διαθλά μια ακτίνα λευκού φωτός αναλύοντάς το σε ένα ουράνιο τόξο χρωμάτων. Ο Νεύτωνας παρατήρησε ότι όταν το φως στη συνέχεια διερχόταν ξανά μέσα από ένα δεύτερο πρίσμα, δεν αναλυόταν περαιτέρω – τα χρώματα του ουράνιου τόξου παρέμειναν τα ίδια.

Ο Νεύτωνας υποστήριξε ότι αυτό ερμηνεύεται υποθέτοντας ότι το λευκό φως αποτελείται από πολλά διαφορετικά σωματίδια διαφορετικών μεγεθών. Το κόκκινο φως αποτελούταν από τα μεγαλύτερα σωματίδια. Το ιώδες αποτελούταν από τα μικρότερα. Σύμφωνα με τον Νεύτωνα εξαιτίας των διαφορετικών μεγεθών τα σωματίδια αποκτούσαν κατά την διαδρομή τους στο γυαλί διαφορετικές ταχύτητες. Γι αυτό διασκορπίζονταν, παράγοντας το ουράνιο τόξο των χρωμάτων, ενώ οι μονοχρωματικές ακτίνες του φωτός στη συνέχεια δεν αναλύονταν περαιτέρω από ένα δεύτερο πρίσμα.
Όμως το σωματιδιακό μοντέλο του Νεύτωνα είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα. Όταν το φως διέρχεται μέσα από μια μικρή τρύπα, στη συνέχεια διαδίδεται όπως οι κυματισμοί στο νερό. Το σωματιδιακό μοντέλο του Νεύτωνα αδυνατούσε το φαινόμενο αυτό που ονομάζεται περίθλαση κάτι που επιτύγχανε το κυματικό μοντέλο του Huygens.

Ωστόσο, οι επιστήμονες έτειναν γενικά να απορρίπτουν τον Huygens και να προτιμούν τον Νεύτωνα, το συγγραφέα των Principia, ένα από τα σημαντικότερα βιβλία στην ιστορία της επιστήμης.
Το μοντέλο του Huygens άρχιζε να κερδίζει έδαφος το 1801, όταν ο Thomas Young πραγματοποίησε το πείραμα της διπλής σχισμής. Στο πείραμα του Young το φως προσπίπτει σε ένα διάφραγμα στο οποίο είναι χαραγμένες δύο παράλληλες πολύ λεπτές σχισμές. Το αποτέλεσμα είναι να σχηματίζεται σε ένα πέτασμα πίσω από τις σχισμές μία εικόνα από εναλλασσόμενες φωτεινές και σκοτεινές ζώνες. Το σχέδιο που δημιουργείται ονομάζεται εικόνα συμβολής και αποτελείται από διαδοχικούς φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς, τους κροσσούς συμβολής. Όπως ακριβώς συμπεριφέρονται τα κύματα.

Περίπου πέντε δεκαετίες αργότερα, ένα άλλο πείραμα ανέδειξε οριστικά το μοντέλο του Huygens. Το 1850, ο Léon Foucalt συνέκρινε την ταχύτητα διάδοσης του φωτός στον αέρα με την ταχύτητα διάδοσης στο νερό και διαπίστωσε ότι, σε αντίθεση με τους ισχυρισμούς του Νεύτωνα, το φως είχε μικρότερη ταχύτητα στο πυκνότερο μέσο. Όπως ακριβώς θα συνέβαινε με ένα κύμα.

Έντεκα χρόνια αργότερα, ο James Clerk Maxwell δημοσίευσε το ‘On Physical Lines of Force‘, στο οποίο προέβλεπε την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Ο Maxwell επισήμανε την ομοιότητά τους με τα κύματα φωτός, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι ταυτίζονται. Το κυματικό μοντέλο του Huygens άρχισε να οδηγεί την κούρσα. Αλλά το 1900, ο Max Planck διατύπωσε μια ιδέα που θα πυροδοτούσε μια νέα αντίληψη σχετικά με το φως.
Ο Planck για να ερμηνεύσει θεωρητικά κάποια ανεξήγητα μέχρι τότε φαινόμενα της ακτινοβολίας αναγκάστηκε να θεωρήσει την ενέργεια των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων διαχωρισμένη σε μεμονωμένα πακέτα ενέργειας. Το 1905, ο Albert Einstein βασίστηκε στην έννοια των ενεργειακών πακέτων του Planck και τελικά οδήγησε την διαμάχη για την φύση του φωτός – σωματίδια εναντίον κύματος – σε ισοπαλία.

Σύμφωνα με τον Einstein, το φως συμπεριφέρεται και ως σωματίδιο και ως κύμα, με την ενέργεια κάθε σωματιδίου φωτός να είναι ανάλογη με την συχνότητα του κύματος. Τα συμπεράσματά του προέκυψαν από την μελέτη του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, την εκπομπή ηλεκτρονίων από ένα μέταλλο η οποία προκαλείται από την πρόσπτωση ορατής ή υπεριώδους ακτινοβολίας στην επιφάνειά του.

Αν το φως διαδίδονταν ως συνεχές κύμα, τότε η πρόσπτωση του φωτός σε μια μεταλλική επιφάνεια για μεγάλο χρονικό διάστημα θα απομακρύνονταν πάντα ένα ηλεκτρόνιο, εφόσον η ενέργεια που θα μετέφερε το φως στο ηλεκτρόνιο θα συσσωρευόταν με την πάροδο του χρόνου.

Αλλά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο δεν λειτουργούσε με αυτόν τον τρόπο. Το 1902 ο Philipp Lenard είχε παρατηρήσει ότι μόνο το φως πάνω από μια συγκεκριμένη ενέργεια – ή τα κύματα φωτός πάνω από μια συγκεκριμένη συχνότητα – θα μπορούσε να αφαιρέσει ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο από το μέταλλο. Και επιπλέον φαινόταν ότι με την πρόσπτωση της συγκεκριμένης συχνότητας φωτός τα ηλεκτρόνια αποβάλλονταν ακαριαία. Στην περίπτωση αυτή, το φως ενεργούσε περισσότερο σαν ένα σωματίδιο, ως ένα μεμονωμένο πακέτο ενέργειας.

Ένας οπαδός της κυματικής φύσης του φωτός, ο Robert Millikan προσπάθησε να να διαψεύσει την υπόθεση του Einstein. Ο Millikan πραγματοποίησε ακριβείς μετρήσεις της σχέσης μεταξύ του φωτός και των ηλεκτρονίων που εμπλέκονταν στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Με μεγάλη έκπληξη επιβεβαίωσε κάθε μια από τις προβλέψεις του Einstein. Για την εργασία του σχετικά με το φωτοηλεκτρικό φαινομένου ο Einstein βραβεύθηκε με Νόμπελ το 1921.

Το 1923, ο Arthur Compton παρείχε πρόσθετη στήριξη στο μοντέλο Einstein. Ο Compton στόχευε με μια δέσμη φωτός υψηλής ενέργειας γραφίτη και παρατήρησε ότι η σκεδαζόμενη ακτινοβολία σε διάφορες γωνίας ως προς την αρχική δέσμη είχε μικρότερη συχνότητα από την αρχική. Το πείραμά του επιβεβαίωσε ότι τα φωτόνια είναι σωματίδια με την πλήρη έννοια του όρου, ότι δηλαδή διαθέτουν εκτός από ενέργεια και ορμή.

Ο χημικός Gilbert Lewis σκέφτηκε ένα όνομα για αυτά τα σωματίδια του φωτός. Σε μια δημοσίευσή του το 1926 στο περιοδικό Nature, τους τα βάφτισε «φωτόνια».

Όμως, ο τρόπος με τον οποίο οι επιστήμονες αντιμετώπιζαν τα φωτόνια συνέχισε να εξελίσσεται τα τελευταία χρόνια. Το φωτόνιο είναι τώρα γνωστό ως μποζόνιο βαθμίθας. Τα μποζόνια βαθμίδας είναι σωματίδια-φορείς δύναμης που επιτρέπουν στα σωματίδια της ύλης να αλληλεπιδρούν διαμέσου των θεμελιωδών δυνάμεων. Τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια έλκουν τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια διότι ανταλλάσσουν μεταξύ τους τα φωτόνια – μια αλληλεπίδραση διαμέσου της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

Η κβαντική θεωρία πεδίου απογύμνωσε την κατάσταση των φωτονίων (και των υπόλοιπων σωματιδίων), χαρακτηρίζοντάς τα ως απλά μπιτ ενέργειας που θέτουν τα πεδία σε «παφλασμό». Ένα κβαντικό πεδίο, όπως το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, είναι ένα είδος ενέργειας και δυναμικού που απλώνεται στον χώρο. Οι φυσικοί θεωρούν κάθε σωματίδιο σαν μια διέγερση ενός κβαντικού πεδίου. «Μου αρέσει να σκέφτομαι ένα κβαντικό πεδίο σαν την ήρεμη επιφάνεια μιας ήρεμης λίμνης όπου δεν βλέπετε τίποτα», λέει ο Richard Ruiz, ερευνητής στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Κρακοβίας στην Πολωνία. «Ρίχνεις ένα βότσαλο στην λίμνη και το νερό διαταράσσεται. Αυτό είναι ένα σωματίδιο.»

Τα φωτόνια ως εργαλείο

Ραδιοκύματα και μικροκύματα, υπέρυθρο και υπεριώδες φως, ακτίνες Χ και ακτίνες γ: Όλα αυτά είναι φως και όλα αποτελούνται από φωτόνια. Τα φωτόνια χρησιμοποιούνται παντού γύρω σας για διάφορες εργασίας. Εκπέμπονται και συλλαμβάνονται από κεραίες, διαδίδονται ενσύρματα, μέσα σε οπτικές ίνες και καλώδια. Χάρη σ’ αυτά, μιλάμε στα κινητά τηλέφωνα και συνδεόμαστε στο διαδίκτυο. Χρησιμοποιούνται στην ανακύκλωση πλαστικών, για να διαχωρίσουν τα αντικείμενα που μπορούν να επανα-χρησιμοποιηθούν στην κατασκευή νέων υλικών. Χρησιμοποιούνται σε νοσοκομεία, στην ακτινοβόληση με σκοπό την αποστείρωση με υπεριώδες φως ή καταστροφή των καρκινικών ιστών με ακτίνες Χ και γ.

Και αποτελούν το κλειδί για όλα τα είδη επιστημονικής έρευνας.

Τα φωτόνια είναι απαραίτητα στην κοσμολογία: για την μελέτη του παρελθόντος, του παρόντος και του μέλλοντος του σύμπαντος. Οι επιστήμονες μελετούν τα άστρα, την διαστρική σκόνη και τους γαλαξίες εξετάζοντας την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπουν, όπως τα ραδιοκύματα, το υπέρυθρο και το ορατό φως. Οι αστρονόμοι εντοπίζουν ισχυρά σήματα, με τη μορφή υπεριώδους ακτινοβολίας, ακτίνων Χ και ακτίνων γ που εκπέμπονται από ενεργητικά αντικείμενα που βρίσκονται στον γαλαξία μας ή σε άλλους γαλαξίες. Και ανιχνεύουν ασθενή σήματα, όπως η μικροκυματική κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου, η οποία χρησιμεύει ως καταγραφή της κατάστασης του σύμπαντος δευτερόλεπτα μετά την Μεγάλη Έκρηξη.

Τα φωτόνια εξακολουθούν να είναι σημαντικά στη φυσική.

Το 2012, οι επιστήμονες στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων ανακάλυψαν το μποζόνιο Higgs μελετώντας τη διάσπασή του σε ζεύγη φωτονίων. Η φυσικός Donna Strickland που μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής 2018 με τους Arthur Ashkin και Gérard Mourou, στην εργασία της δημιούργησε παλμούς λέιζερ υψηλής συχνότητας και έντασης, με την ισχυρή εστίαση φωτός υψηλής ενέργειας.

Οι συσκευές που παράγουν ισχυρές ακτίνες X, υπεριώδες φως και υπέρυθρο φως βοηθούν τους επιστήμονες να αναλύσουν τα βήματα των ταχύτερων χημικών διεργασιών και να εξετάσουν τα υλικά με μοριακή λεπτομέρεια.

«Σε όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα, τα φωτόνια μπορούν να μας δώσουν άφθονες πληροφορίες για τον κόσμο», λέει η Jennifer Dionne, αναπληρώτρια καθηγήτρια επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ. Η Dionne διεξάγει έρευνα στον τομέα της νανοφωτονικής, ένα πεδίο της φυσικής στο οποίο οι επιστήμονες ελέγχουν το φως και μελετούν τις αλληλεπιδράσεις του με μόρια και δομές μεγέθους νανομέτρων. Μεταξύ άλλων, το εργαστήριό της χρησιμοποιεί φωτόνια για την αύξηση της απόδοσης των καταλυτών σε χημικές αντιδράσεις.

“»Το φως – τα φωτόνια – είναι ένα αντιδραστήριο στη χημεία το οποίο συνήθως αγνοείται», λέει η Dionne. «Οι άνθρωποι συχνά σκέφτονται να προσθέσουν νέα χημικά για να πραγματοποιήσουν μια συγκεκριμένη αντίδραση ή να ελέγξουν την θερμοκρασία ή το pH ενός διαλύματος. Το φως μπορεί να φέρει μια εντελώς νέα διάσταση και έναν εντελώς νέο εξοπλισμό εργαλείων.»

Μερικοί φυσικοί αναζητούν ακόμη και νέους τύπους φωτονίων. Τα «σκοτεινά φωτόνια» που υποθέτουν οι θεωρητικοί χρησιμεύουν ως ένα νέο είδος μποζονίων βαθμίδας, που μεσολαβούν στις αλληλεπιδράσεις μεταξύ σωματιδίων σκοτεινής ύλης.

Τα φωτόνια δεν παύουν ποτέ να μας εκπλήσσουν.

πηγή: https://www.symmetrymagazine.org/article/what-is-a-photon

 

https://physicsgg.me/2021/07/06/%cf%84%ce%b9-%ce%b5%ce%af%ce%bd%ce%b1%ce%b9-%cf%84%ce%bf-%cf%86%cf%89%cf%84%cf%8c%ce%bd%ce%b9%ce%bf/