מדע בפשטות: מהם פוטונים?

מה הם פוטונים?

פוטונים הם החלקיקים הקטנים ביותר של אנרגיה אלקטרומגנטית ולכן גם חלקיקי האור הקטנים ביותר האפשריים. פוטונים יכולים לנוע במהירות האור כי אין להם מסה (בזכות תורת היחסות). גם לפוטונים אין תשלום.

פוטונים מייצגים את כל הספקטרום של קרינה אלקטרומגנטית. זה כולל גלי רדיו, קרני גמא ואור נראה.

פוטונים: דואליות גל-חלקיק

כמו חלקיקים רבים אחרים הנשלטים על ידי מכניקת הקוונטים, לפוטונים יש מאפיינים של גלים וחלקיקים כאחד. פוטונים נעים בצורה דמוית גל, שבה השדה החשמלי והמגנטי המקומי מתנודד בעוצמתו, ומתנדנד בקביעות קדימה ואחורה בין רמות אנרגיה גבוהות ונמוכות.

האנרגיה בפוטונים קובעת את סוג הקרינה האלקטרומגנטית שהפוטונים משדרים. המשמעות היא שפוטונים בעלי אנרגיה נמוכה נושאים גלי רדיו. גלי רדיו נקראים אורך גל ארוך מכיוון שהתחתית והפסגות של הגלים מרוחקות יחסית זה מזה. פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה נושאים גלי גמא. גלי גמא נקראים אורך גל קצר מכיוון שהתחתית והפסגות של הגלים שלהם קרובים מאוד זה לזה.

נקודות מבט היסטוריות על אור

הגילוי של מדענים שפוטונים הם גלים וחלקיקים כאחד היה חלק מרכזי בהתפתחות מכניקת הקוונטים. אייזק ניוטון חשב שהאור נע בחלקיקים בין השאר בגלל האופן שבו האור מקפיץ את המשטחים. אבל כריסטיאן הויגנס ציין שאור זורח דרך חור קטן שנפרש במקום להישאר כתם. משמעות הדבר היא שאור חייב להיות גל, כאשר האור מתפשט בצורה דומה לאופן שבו המים מתפתלים. מודל הגלים של הויגנס זכה לתמיכה נוספת מניסויים בשנות ה-1800.

מכניקת קוונטים ופוטונים

בשנת 1900, מקס פלאנק הציע במקום זאת שפוטונים חייבים להיות חלקיקים בגלל האופן שבו קרינה מתנהגת. זה פתח את הדלת לאיינשטיין להציע ב-1905 שאור הוא גם חלקיקים וגם גלים. ההסבר שלו מבוסס על האפקט הפוטואלקטרי. זו הדרך בה יריעת מתכת פולטת אלקטרונים כאשר היא פוגעת באור. איינשטיין הדגים שעוצמת האור הזורח על המתכת קשורה למספר הפוטונים באור. התדירות (או הצבע) של האור קשורה לכמות האנרגיה כל אחד פוטון נושא.

עובדות מהירות

• פוטונים יכולים להיקלט בחומר. כאשר זה קורה, האור שלהם הופך לחום, מחמם את החומר. כך אור השמש מחמם דברים על פני כדור הארץ.
• אלברט איינשטיין זכה בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1922 על עבודתו על פוטונים וקרינה אלקטרומגנטית.

משרד המדע של DOE: תרומות לחקר החלקיקים התת-אטומיים

משרד DOE לפיזיקה גרעינית במשרד המדע תומך במחקר להבנת כל צורות החומר הגרעיני והחלקיקים התת-אטומיים המרכיבים את גרעיני האטום. מחקר זה כולל פירוק תכונות שלא היו ידועות בעבר של אטומים ושל החלקיקים התת-אטומיים מהם הם מורכבים במצבם הטבעי. לעבודה זו יש יישומים חשובים ברפואה, מסחר והגנה לאומית.

תחום מחקר נוסף הוא ההבנה במדויק כיצד בנויים הגרעינים בהתאם למספר הפרוטונים והנייטרונים שבתוכם. מחקר אחר מתמקד בחימום גרעינים לטמפרטורת היקום המוקדם כדי להבין כיצד הם התעבו מתוך מרק הקווארק-גלואון שהיה קיים באותה תקופה.

בנפרד, משרד המדע של DOE מפעיל סדרה של מקורות אור המשתמשים בכוחם של פוטונים למחקר מדעי. מקורות אור אלו הם מתקני משתמש של משרד המדע הפתוחים לחוקרים מהתעשייה, מהאקדמיה ומהמעבדות הלאומיות.