ફોટૉન

ફોટૉન

બંધારણ	મૂળભૂત કણ
સાંખ્યિકી	બોઝૉનિક
આંતરક્રિયા	વિદ્યુતચુંબકીય આંતરક્રિયા
સંજ્ઞા	γ
વ્યાખ્યાયિત	આલ્બર્ટ આઇન્સ્ટાઇન દ્વારા
દ્રવ્યમાન	૦ < 1×10−18 eV/c2
ચરઘાંતાકિય ક્ષય	સ્થાયી
વિદ્યુતભાર	૦ < 1×10−35 e
પ્રચક્રણ	૧
સમતા (પૅરિટી)	-૧
C parity	-૧

ફોટૉન (અંગ્રેજી: Photon) અથવા પ્રકાશાણુ એ એક મૂળભૂત કણ છે અને વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ (જેમ કે પ્રકાશ) ઊર્જાનો એક જથ્થો (ક્વૉન્ટમ) છે. આ કણ વિદ્યુતચુંબકીય બળનો વાહક છે અને તેની ઊર્જા $E=h\nu$ સ્વરૂપે દર્શાવવામાં આવે છે. ફોટોન દ્રવ્ય કણની જેમ ઊર્જા, વેગ, અને અન્ય યાંત્રિક ગુણધર્મો ધરાવે છે. તે સ્થિર દળ ધરાવતું નથી, એટલે કે ફોટૉનનું સ્થિર દળ શૂન્ય છે; એટલે તે કદાપિ સ્થિર રહેે નહીં. આ કણ શૂન્ય વીજભાર ધરાવે છે તથા શૂન્યાવકાશમાં પ્રકાશના વેગે ગતિ કરે છે. તેના પ્રચક્રણ (spin)નું મૂલ્ય ૧ છે અને તે પોતાના પ્રતિકણને ચિહ્નિત કરે છે, એટલે ફોટૉન અને પ્રતિફોટૉન સમાન છે, અને બંને વચ્ચે ભેદ પાડવો અશક્ય છે. ફોટોન 'કણ અને તરંગ' બંને પ્રકારની પ્રકૃતિ ધરાવે છે. આ કણને સૌપ્રથમ આઇન્સ્ટાઇન દ્વારા વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવ્યો હતો.

ભૌતિક ગુણધર્મો

ફોટૉન દળરહિત અને વીજભારરહિત સ્થાયી કણ છે. તે વિદ્યુતચુંબકીય બળ માટેનો ગાઉઝ બોઝૉન (મૂળભૂત બળોનું વહન કરતાં કણોમાં ગાઉઝ બોઝૉન કહેવામાં આવે છે) છે, એટલે કે તે વિદ્યુતચુંબકીય બળનું વહન કરે છે. આથી, ફોટોનના બીજા ક્વૉન્ટમ આંક (જેવું કે લેપ્ટૉન આંક, બેરિયૉન આંક અને ફ્લૅવર ક્વૉન્ટમ આંક)નું મૂલ્ય શૂન્ય છે. વધુમાં, ફોટોન બોજકણ તરીકે પાઉલીના અપવર્જન નિયમનું પાલન નહીં કરે. ફોટોન વિવિધ પ્રક્રિયાઓ દ્વારા ઉત્પન્ન થઈ શકે છે, જ્યારે કોઈ પણ મૂળભૂત કણ અને તેનો પ્રતિકણ પરસ્પર સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે બંને કણો વિઘટન પામીને ફોટૉનમાં રૂપાંતરિત થાય છે. જેમ કે ઈલેક્ટ્રૉન અને તેનો પ્રતિકણ પોઝિટ્રૉન એકબીજાને મળતાં નીચેની પ્રક્રિયા દ્વારા બે ફોટૉનમાં રૂપાંતરિત થાય છે:

e⁻
+
e⁺
 → 
γ
+
γ

ઈતિહાસ

થોમસ યંગ નામના વૈજ્ઞાનિકે તેના 'ડબલ સ્લિટ પ્રયોગ' દ્વારા ૧૮૦૧માં દર્શાવ્યું કે પ્રકાશ તરંગની જેમ ગતિ કરે છે.

હ્યુજીન્સ ક્રિશ્ચિયને (૧૬૨૯-૧૬૯૫) સૌપ્રથમ પ્રકાશની વર્તણૂક સમજાવવાનો પ્રયત્ન કર્યો હતો. તેમણે પ્રકાશને પાણી અને ધ્વનિના તરંગો સાથે સરખાવ્યો અને પ્રતિપાદિત કર્યું કે પ્રકાશ પણ તરંગ તરીકે પ્રસરે છે. તેમણે આ પણ દર્શાવ્યું કે ધ્વનિ શૂન્યાવકાશમાં પ્રસરતું નથી જ્યારે પ્રકાશ શૂન્યાવકાશમાં ફેલાઈ શકે છે. આ રીતે હ્યુજીન્સે પ્રકાશનું તરંગવાદ સ્થાપિત કર્યું, જેનાથી પરાવર્તન, વક્રીભવન અને ધ્રૂવીભવન સમજાયા. ત્યારબાદ ન્યૂટને પ્રકાશનો કણવાદ રજૂ કર્યો. ન્યૂટને જણાવી દીધું કે પ્રકાશના સ્ત્રોતમાંથી કણો સરળતાથી છૂટાં થાય છે અને તે કણ સ્વરૂપે પ્રસરે છે. પ્રકાશનો આ કણવાદ લગભગ એક સદી સુધી માન્ય હતો. ત્યારબાદ મૅક્સવેલે વિદ્યુતચુંબકીયવાદને આધારિત પ્રકાશના તરંગવાદને સરળતાથી સમજાવ્યું કે તેના તરંગો લંબગત છે.

પ્રકાશ અને વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ કણ સ્વરૂપે મળે છે, એવો ખ્યાલ સૌપ્રથમ ૧૯૦૦માં જર્મન ભૌતિકવિજ્ઞાની મૅક્સ પ્લાંકે આપ્યો. પ્લાંકે પ્રતિપાદિત કર્યું કે પ્રકાશ અને વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણ કણોના પ્રવાહ તરીકે મળે છે. ક્વૉન્ટમ તરીકે ઓળખાતા જથ્થાઓમાં અટકાવેલ છે. ઊર્જાના ક્વૉન્ટમને વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોની પૅકેટ તરીકે જોવામાં આવે છે, જેનું વિભાજન કરી શકાતું નથી. તેથી કોઈ પણ પરિસ્થિતિમાં ઊર્જાનો અપૂર્ણાંક ક્વૉન્ટમ પ્રાપ્ત ન કરી શકાતો નથી, પરંતુ ઓછા ઊર્જાવાળા ક્વૉન્ટમ અથવા ફોટોન મળી શકે છે. આઇન્સ્ટાઇનની ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસર દ્વારા પ્રકાશના આ કણવાદને સમર્થન મળ્યું. આધુનિક ભૌતિક શાસ્ત્રમાં હ્યુજીન્સના તરંગવાદ અને ન્યૂટનના કણવાદનો સમન્વય કરવામાં આવ્યો છે, એટલે કે હવે માનવામાં આવે છે કે પ્રકાશ તરંગ અને કણ (ફોટોન) બંને રીતે અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસર

આઇન્સ્ટાઇન સાબિત કરે છે કે, જ્યારે યોગ્ય ઊંચી આવૃત્તિનો પ્રકાશ કોઈ સંવેદનશીલ ઘાતુ પર પડે છે, ત્યારે તે ધાતુની સપાટી પરથી ઈલેક્ટ્રૉન ઉત્સર્જિત થાય છે. આ ઘટનાને ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસર કહેવામાં આવે છે. ઉત્સર્જિત ઈલેક્ટ્રૉનને ફોટોઈલેકટ્રોન કહેવામાં આવે છે, જે ફોટોઈલેક્ટ્રિક વીજપ્રવાહનું નિર્માણ કરે છે. આ ઘટના શોધવા માટે આઇન્સ્ટાઇનને ૧૯૨૧ના ભૌતિકશાસ્ત્રના નોબૅલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યા. આ ઘટના પ્રકાશના તરંગરૂપે સમજાવી શકાય છે નહીં; એટલે કે આ ઘટનાને સમજાવવા માટે પ્રકાશને કણ તરીકે સ્વીકારવો પડે છે. માત્ર ઉચ્ચ આવૃત્તિ ધરાવતા ફોટોન જ ધાતુમાંથી ઈલેક્ટ્રૉન મુક્ત કરી શકે છે, કારણ કે ત્યાં પૂરતી ઊર્જા હોય છે; જ્યારે તરંગના આકારમાં ઈલેક્ટ્રૉનને ધાતુની સપાટી ઉપરથી મુક્ત કરવા માટે પૂરતી ઊર્જા નથી. આવા કારણે, ફોટોઈલેક્ટ્રિક અસરમાં ફોટૉનને વિદ્યુતચુંબકીય ઊર્જાનો (પ્રકાશ) ક્વૉન્ટમ માનવામાં આવે છે. જો ફોટૉનમાં ઊર્જા વધારે હોય, તો તે ઈલેક્ટ્રૉનને વધુ ઊર્જા આપી શકે છે. આ રીતે વધુ ઊર્જાવાળા ઈલેક્ટ્રોન ધાતુમાંથી બહાર આવે છે. તેના જ રીતે કાળ પદાર્થના ઉત્સર્જિત થનારા વિકિરણને પણ ફોટૉન દ્વારા સમજાવાય છે.

૧૯૦૫માં આઇન્સ્ટાઇને દર્શાવ્યું કે ફોટોનની ઊર્જા તેની તરંગલંબાઈ (λ) અથવા આવૃત્તિ (ν) ઉપર આધાર રાખે છે. ફોટોનની ઊર્જા (E) નીચે મુજબ દર્શાવી શકાય છે:

$E=h\nu$

જ્યાં:

• $h$ પ્લાંકનો અચળાંક
• $\nu$ વિદ્યુતચુંબકીય તરંગોની આવૃત્તિ

વિકિરણની આવૃત્તિ (ν) પ્રકાશની તરંગલંબાઈ (λ)ના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે.

માટે,

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

અનુસાર, ફોટોનની ઊર્જા છે:

$E={\frac {hc}{\lambda }}$

અને ફોટોનનું વેગમાન છે:

$p={\frac {h}{\lambda }}.$

• $c$ પ્રકાશનો વેગ છે

કૉમ્પ્ટન અસર

અમેરિકન ભૌતિકશાસ્ત્રી આર્થર કૉમ્પ્ટને ૧૯૨૩માં 'કૉમ્પ્ટન અસર' નામની ઘટના પ્રાયોગિક રીતે સાબિત કરી. આ પ્રક્રિયા દ્વારા પ્રકાશ અથવા વિદ્યુતચુંબકીય વિકિરણની કણ પ્રકૃતિને પુષ્ટિ આપવામાં આવી. ઍક્સ કિરણનો ફોટોન જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન સાથે અથડાય છે, ત્યારે તે પ્રકીર્ણન (scattering) અનુભવે છે. આ પ્રક્રિયામાં ઍક્સ-કિરણોનો ફોટૉન ઈલેક્ટ્રૉનને ઊર્જા આપે છે, જેના પરિણામે ફોટૉનની ઊર્જા ઘટે છે અને તેની તરંગલંબાઈમાં વધારો થાય છે. આ શોધ માટે કૉમ્પ્ટનને ૧૯૨૭નું ભૌતિકશાસ્ત્રનું નોબેલ પારિતોષિક એનાયત કરવામાં આવ્યું હતું.