फोटॉन

This article is about प्रकाश का प्राथमिक कण या क्वांटम. For other uses, see फोटॉन (disambiguation).

फोटॉन

File:Fluorescence in calcite.jpg फोटॉन एक सियान लेजर बीम के बाहर, नारंगी लेजर बीम के अंदर केल्साइट और इसके प्रतिदीप्ति द्वारा उत्सर्जित होते हैं।
रचना	प्राथमिक कण
सांख्यिकी	बोसोनिक
परिवार	गेज बोसोन
बातचीत एस	Electromagnetic, Weak (and Gravity)
प्रतीक	Template:बड़ा
Theorized	अल्बर्ट आइंस्टीन (1905) "फोटॉन" नाम का श्रेय आम तौर पर गिल्बर्ट एन. लुईस को दिया जाता है (1926)
द्रव्यमान	0 (theoretical value) < 1×10−18 eV/c2 (experimental limit)
मतलब   जीवनकाल	Stable
इलेक्ट्रिक   चार्ज	0 < 1×10−35 e
Color charge	0
स्पिन स्टेट्स	दो: Template:गणित,   Template:गणित
c   समता	-1
संघनित	कमजोर आइसोस्पिन(कुल कोणीय गतिसमता (भौतिकी)सी समता )=0,1(1-−)

फोटॉन (प्राचीन यूनानी φῶς, φωτός (फॉस, फोटो) 'प्रकाश' से) प्राथमिक कण है जो विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र का एक क्वांटम है, जिसमें विद्युत चुम्बकीय विकिरण जैसे प्रकाश और रेडियो तरंगें, और विद्युत चुम्बकीय बल के लिए बल वाहक सम्मिलित हैं। फोटॉन द्रव्यमान रहित होते हैं, इसलिए वे हमेशा निर्वात में प्रकाश की गति से चलते हैं, 299792458 मी/से (या लगभग 186,282 मील/सेकेंड)। फोटॉन बोसॉन वर्ग का है।

अन्य प्राथमिक कणों की तरह, फोटॉनों को क्वांटम यांत्रिकी द्वारा सबसे अच्छी तरह समझाया जाता है और तरंग-कण द्वैत प्रदर्शित करता है, उनके व्यवहार में तरंगों और कणों दोनों के गुणों की विशेषता होती है। आधुनिक फोटॉन अवधारणा की प्रारम्भ 20वीं सदी के पहले दो दशकों में अल्बर्ट आइंस्टीन के काम से हुई, जिन्होंने मैक्स प्लैंक के शोध पर निर्माण किया। यह समझाने की कोशिश करते हुए कि पदार्थ और विद्युत चुम्बकीय विकिरण एक दूसरे के साथ तापीय संतुलन में कैसे हो सकते हैं, प्लैंक ने प्रस्ताव दिया कि भौतिक वस्तु के भीतर संग्रहीत ऊर्जा को असतत, समान आकार के भागों की पूर्णांक संख्या से बना माना जाना चाहिए। फोटोइलेक्ट्रिक (प्रकाश विद्युत प्रभाव) प्रभाव की व्याख्या करने के लिए, आइंस्टीन ने यह विचार प्रस्तुत किया कि प्रकाश स्वयं ऊर्जा की असतत इकाइयों से बना है। 1926 में, गिल्बर्ट एन. लुईस ने इन ऊर्जा इकाइयों के लिए फोटॉन शब्द को लोकप्रिय बनाया। इसके बाद, कई अन्य प्रयोगों ने आइंस्टीन के दृष्टिकोण की पुष्टि की।

कण भौतिकी के मानक मॉडल में, फोटॉन और अन्य प्राथमिक कणों को अंतरिक्ष समय में प्रत्येक बिंदु पर निश्चित समरूपता वाले भौतिक नियमों के आवश्यक परिणाम के रूप में वर्णित किया गया है। आवेश, द्रव्यमान और स्पिन जैसे कणों के आंतरिक गुण, गेज समरूपता द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। फोटॉन की अवधारणा ने प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक भौतिकी में महत्वपूर्ण प्रगति की है, जिसमें लेज़र, बोस-आइंस्टीन संघनन, क्वांटम फील्ड सिद्धांत और क्वांटम यांत्रिकी की संभाव्य व्याख्या सम्मिलित है। यह फोटोकैमिस्ट्री, उच्च-रिज़ॉल्यूशन माइक्रोस्कोपी और आणविक दूरी के मापन पर लागू किया गया है। इसके अलावा, फोटॉनों का अध्ययन क्वांटम कंप्यूटर के तत्वों के रूप में और ऑप्टिकल इमेजिंग और ऑप्टिकल संचार जैसे क्वांटम क्रिप्टोग्राफी में अनुप्रयोगों के लिए किया गया है।

नामकरण

File:1926 Gilbert N. Lewis letter which brought the word "photon" into common usage.jpg

1926 गिल्बर्ट एन. लुईस पत्र जो "फोटॉन" शब्द को साधारण उपयोग में लाया

शब्द क्वांटा (एकवचन क्वांटम, लैटिन भाषा में कितना) का उपयोग 1900 से पहले कणों या बिजली सहित विभिन्न मात्राओं की मात्रा के लिए किया जाता था। 1900 में, जर्मन भौतिक विज्ञानी मैक्स प्लैंक ब्लैक-बॉडी रेडिएशन का अध्ययन कर रहे थे, और उन्होंने सुझाव दिया कि प्रयोगात्मक टिप्पणियों, विशेष रूप से कम तरंग दैर्ध्य पर, समझाया जाएगा कि क्या अणु के भीतर संग्रहीत ऊर्जा "असतत मात्रा है जो परिमित की एक अभिन्न संख्या से बना है। समान भाग", जिसे उन्होंने "ऊर्जा तत्व" कहा। 1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने एक पेपर प्रकाशित किया, जिसमें उन्होंने प्रस्तावित किया कि ब्लैक-बॉडी रेडिएशन और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव सहित कई प्रकाश संबंधी घटनाओं को स्थानिक रूप से स्थानीयकृत, असतत तरंग पैकेटों के रूप में इलेक्ट्रोमैग्नेटिक तरंगों के मॉडलिंग द्वारा बेहतर ढंग से समझाया जाएगा। उन्होंने ऐसे वेव पैकेट को लाइट क्वांटम (जर्मन: ईइन लिचक्वेंट) कहा।

फोटॉन नाम प्रकाश के लिए ग्रीक शब्द से लिया गया है, φῶς (लिप्यंतरित फॉस)। आर्थर कॉम्पटन ने 1928 में जी.एन. का जिक्र करते हुए फोटॉन का उपयोग किया था। लुईस, जिन्होंने 18 दिसंबर 1926 को नेचर को लिखे पत्र में यह शब्द गढ़ा था। इसी नाम का पहले उपयोग किया गया था, लेकिन लुईस से पहले व्यापक रूप से कभी नहीं अपनाया गया था: 1916 में अमेरिकी भौतिक विज्ञानी और मनोवैज्ञानिक लियोनार्ड टी। ट्रॉलैंड द्वारा, 1921 में आयरिश भौतिक विज्ञानी जॉन जोली द्वारा, 1924 में फ्रांसीसी फिजियोलॉजिस्ट रेने वुर्मसर (1890-1993) द्वारा और 1926 में फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी फ्रिथिओफ वोल्फर्स (1891-1971) द्वारा। प्रारम्भ में नाम का सुझाव आंख की रोशनी और प्रकाश की परिणामी अनुभूति से संबंधित एक इकाई के रूप में दिया गया था और बाद में इसका उपयोग शारीरिक संदर्भ में किया गया था। हालांकि वोल्फर्स और लुईस के सिद्धांतों का कई प्रयोगों द्वारा खंडन किया गया था और उन्हें कभी स्वीकार नहीं किया गया था, अधिकांश भौतिकविदों द्वारा नए नाम को कॉम्पटन द्वारा उपयोग किए जाने के तुरंत बाद अपनाया गया था।

भौतिकी में, फोटॉन को सामान्यतः प्रतीक γ (ग्रीक अक्षर गामा) द्वारा निरूपित किया जाता है। फोटॉन के लिए यह प्रतीक संभवतः गामा किरणों से निकला है, जिसे 1900 में पॉल विलार्ड द्वारा खोजा गया था, जिसे 1903 में अर्नेस्ट रदरफोर्ड द्वारा नामित किया गया था, और 1914 में रदरफोर्ड और एडवर्ड एंड्रेड द्वारा विद्युत चुम्बकीय विकिरण का एक रूप दिखाया गया था। रसायन विज्ञान और ऑप्टिकल इंजीनियरिंग में, फोटॉन को सामान्यतः hν द्वारा दर्शाया जाता है, जो कि फोटॉन ऊर्जा है, जहां h प्लैंक स्थिरांक है और ग्रीक अक्षर ν (nu) फोटॉन की आवृत्ति है। बहुत कम सामान्यतः, फोटॉन का प्रतीक हो सकता है hf, जहां इसकी आवृत्ति f द्वारा निरूपित की जाती है।

भौतिक गुण

फोटॉन द्रव्यमान रहित होता है, में कोई विद्युत आवेश नहीं होता है, और एक स्थिर कण होता है। निर्वात में, फोटॉन में तीन संभावित ध्रुवीकरण अवस्थाएँ होती हैं। फोटॉन विद्युत चुंबकत्व के लिए गेज बोसोन है,^29–30 और इसलिए फोटॉन की अन्य सभी क्वांटम संख्याएँ (जैसे लेप्टान संख्या, बेरिऑन) नंबर, और फ्लेवर क्वांटम नंबर) शून्य हैं। इसके अलावा, फोटॉन बोस-आइंस्टीन आँकड़ों का पालन करता है, न कि फर्मी-डिराक आँकड़ों का। अर्थात्, वे पाउली अपवर्जन सिद्धांत का पालन नहीं करते हैं और एक से अधिक ही बाध्य क्वांटम अवस्था में रह सकते हैं।

कई प्राकृतिक प्रक्रियाओं में फोटोन उत्सर्जित होते हैं। उदाहरण के लिए, जब आवेश त्वरित होता है तो यह सिंक्रोट्रॉन विकिरण उत्सर्जित करता है। निम्न ऊर्जा स्तर पर आणविक, परमाणु या परमाणु संक्रमण के दौरान, रेडियो तरंगों से लेकर गामा किरणों तक विभिन्न ऊर्जा के फोटॉन उत्सर्जित होंगे। फोटॉन तब भी उत्सर्जित हो सकते हैं जब कण और उसके संबंधित प्रतिकण नष्ट हो जाते हैं (उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉन-पॉज़िट्रॉन विलोपन)।

सापेक्षिक ऊर्जा और संवेग

See also: विशेष सापेक्षता

खाली जगह में, फोटॉन c (प्रकाश की गति) पर चलता है और इसकी ऊर्जा और संवेग E = p c , से संबंधित होते हैं, जहाँ p संवेग वेक्टर p का परिमाण है। यह m = 0 :के साथ निम्नलिखित आपेक्षिक संबंध से निकला है:

File:Light cone colour.svg

rad⋅s⁻¹) और अंतरिक्ष अक्ष कोणीय तरंग संख्या (rad⋅m .) का प्रतिनिधित्व करता है^-1)। हरा और नील बाएँ और दाएँ का प्रतिनिधित्व करते हैं ध्रुवीकरण

$E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}~.$

फोटॉन की ऊर्जा और संवेग केवल इसकी आवृत्ति ($\nu$) या व्युत्क्रम, इसकी तरंग दैर्ध्य (λ) पर निर्भर करते हैं:

$E=\hbar \,\omega =h\,\nu ={\frac {\,h\,c\,}{\lambda }}$

${\boldsymbol {p}}=\hbar \,{\boldsymbol {k}}~,$

जहाँ k तरंग वेक्टर है, जहाँ

• k ≡ |k| =  2π /λ तरंग संख्या है, और
• ω ≡ 2 π ν कोणीय आवृत्ति है, और
• ħ ≡ h/ 2π  प्लैंक स्थिरांक है।

तब से p फोटॉन के प्रसार की दिशा में इंगित करता है, इसके संवेग का परिमाण है

$p\equiv \left|{\boldsymbol {p}}\right|=\hbar \,k={\frac {\,h\,\nu \,}{c}}={\frac {\,h\,}{\lambda }}~.$

ध्रुवीकरण और कोणीय गति

Main article: फोटॉन ध्रुवीकरण

फोटॉन में दो अन्य मात्राएँ भी होती हैं जिन्हें स्पिन कोणीय संवेग (जो रैखिक या वृत्ताकार फोटॉन ध्रुवीकरण से संबंधित है) और कक्षीय कोणीय गति कहते हैं।

स्पिन कोणीय गति

Main article: प्रकाश की स्पिन कोणीय गति

प्रकाश की स्पिन कोणीय गति इसकी आवृत्ति पर निर्भर नहीं करती है, और 1931 में रमन और भगवंतम द्वारा प्रयोगात्मक रूप से सत्यापित किया गया था।

चूंकि फोटॉन हमेशा प्रकाश की गति से चलते हैं, इसलिए स्पिन को गति की दिशा के साथ मापा गया वेक्टर घटक के संदर्भ में सबसे अच्छा व्यक्त किया जाता है, इसकी हेलिसीटी (कण भौतिकी), जो या तो होनी चाहिए +ħ या −ħ. ये दो संभावित हेलीकॉप्टर, जिन्हें दाएं हाथ और बाएं हाथ कहा जाता है, फोटॉन के दो संभावित गोलाकार ध्रुवीकरण स्थितियों के अनुरूप हैं।

इन सूत्रों के महत्व को स्पष्ट करने के लिए, मुक्त स्थान में अपने एंटीपार्टिकल के साथ एक कण के विनाश के परिणामस्वरूप निम्न कारणों से कम से कम दो फोटॉन का निर्माण होना चाहिए: संवेग फ्रेम के केंद्र में, टकराने वाले प्रतिकणों में कोई शुद्ध संवेग नहीं होता है, जबकि एकल फोटॉन में हमेशा संवेग होता है (चूंकि, जैसा कि हमने देखा है, यह फोटॉन की आवृत्ति या तरंग दैर्ध्य द्वारा निर्धारित होता है, जो शून्य नहीं हो सकता)। इसलिए, संवेग (या समतुल्य रूप से, ट्रांसलेशनल इनवेरिएंस) के लिए आवश्यक है कि शून्य नेट संवेग के साथ कम से कम दो फोटॉन बनाए जाएं। दो फोटॉनों की ऊर्जा, या, समान रूप से, उनकी आवृत्ति, संरक्षण कानून (भौतिकी) से निर्धारित की जा सकती है|चार-गति का संरक्षण।

दूसरे तरीके से देखा जाए तो फोटॉन को ट्रूली न्यूट्रल पार्टिकल माना जा सकता है (इस प्रकार एंटीफोटोन विपरीत गति, समान ध्रुवीकरण और चरण से 180 ° बाहर एक सामान्य फोटॉन है)। रिवर्स प्रक्रिया जोड़ी उत्पादन, प्रमुख तंत्र है जिसके द्वारा गामा किरणों जैसे उच्च ऊर्जा वाले फोटॉन पदार्थ से गुजरते समय ऊर्जा खो देते हैं। यह प्रक्रिया परमाणु नाभिक के विद्युत क्षेत्र में अनुमत फोटॉन के विनाश के विपरीत है।

विद्युत चुम्बकीय विकिरण की ऊर्जा और संवेग के लिए चिरसम्मत सूत्रों को फोटॉन घटनाओं के संदर्भ में फिर से व्यक्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, किसी वस्तु पर विकिरण दबाव प्रति इकाई समय और इकाई क्षेत्र में फोटॉन गति के हस्तांतरण से प्राप्त होता है, क्योंकि दबाव प्रति इकाई क्षेत्र पर बल होता है और बल प्रति इकाई समय में गति में परिवर्तन होता है।

कक्षीय कोणीय गति

Main article: प्रकाश का कक्षीय कोणीय संवेग

प्रत्येक फोटॉन कोणीय संवेग के दो भिन्न और स्वतंत्र रूपों को वहन करता है: चक्रण और कक्षीय कोणीय संवेग। जैसा कि ऊपर चर्चा की गई है, किसी विशेष फोटॉन के प्रकाश का प्रचक्रण कोणीय संवेग हमेशा या तो +ħ, 0, या −ħ होता है। इसके विपरीत, किसी विशेष फोटॉन का प्रकाश कक्षीय कोणीय संवेग शून्य सहित कोई पूर्णांक N हो सकता है।

फोटॉन द्रव्यमान पर प्रायोगिक जांच

वर्तमान में सामान्यतः स्वीकृत भौतिक सिद्धांत फोटॉन को सख्ती से द्रव्यमान रहित मानते हैं या मानते हैं। यदि फोटॉन सख्ती से द्रव्यमान रहित कण नहीं है, तो यह निर्वात में प्रकाश, c, की सटीक गति से नहीं चलेगा। इसकी गति कम होगी और इसकी आवृत्ति पर निर्भर करेगी। सापेक्षता इससे अप्रभावित रहेगी; प्रकाश की तथाकथित गति, c, तब वास्तविक गति नहीं होगी जिस पर प्रकाश चलता है, बल्कि प्रकृति का स्थिरांक होता है जो गति पर ऊपरी सीमा होती है जिसे कोई भी वस्तु सैद्धांतिक रूप से स्पेसटाइम में प्राप्त कर सकती है। इस प्रकार, यह अभी भी स्पेसटाइम तरंगों (गुरुत्वाकर्षण तरंगों और गुरुत्वाकर्षण) की गति होगी, लेकिन यह फोटॉन की गति नहीं होगी।

यदि फोटॉन में गैर-शून्य द्रव्यमान होता, तो अन्य प्रभाव भी होते। कूलम्ब के नियम को संशोधित किया जाएगा और विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में स्वतंत्रता की अतिरिक्त भौतिक डिग्री होगी। ये प्रभाव प्रकाश की गति की आवृत्ति निर्भरता की तुलना में फोटॉन द्रव्यमान की अधिक संवेदनशील प्रयोगात्मक जांच करते हैं। यदि कूलम्ब का नियम बिल्कुल मान्य नहीं है, तो यह एक बाहरी विद्युत क्षेत्र के अधीन होने पर खोखले संवाहक के भीतर विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति की अनुमति देगा। यह विद्युत चुम्बकत्व के अति-उच्च-परिशुद्धता परीक्षणों के लिए साधन प्रदान करता है | कूलम्ब के नियम के परीक्षण। इस तरह के एक प्रयोग के शून्य परिणाम m ≲ 10⁻¹⁴ eV/c² ने की सीमा निर्धारित की है .

गैलेक्टिक चुंबकीय वेक्टर क्षमता के कारण होने वाले प्रभावों का पता लगाने के लिए डिज़ाइन किए गए प्रयोगों में प्रकाश के द्रव्यमान पर तेज ऊपरी सीमाएं प्राप्त की गई हैं। हालांकि गैलेक्टिक वेक्टर क्षमता बहुत बड़ी है क्योंकि गैलेक्टिक चुंबकीय क्षेत्र बहुत बड़ी लंबाई के पैमाने पर मौजूद है, अगर फोटॉन द्रव्यमान रहित है तो केवल चुंबकीय क्षेत्र ही देखा जा सकता है। इस मामले में कि फोटॉन का द्रव्यमान है, द्रव्यमान 1/2m²A_μA^μ गांगेय प्लाज्मा को प्रभावित करेगा। तथ्य यह है कि ऐसा कोई प्रभाव नहीं देखा जाता है जिसका अर्थ है कि फोटॉन द्रव्यमान पर ऊपरी सीमा होती है m < 3×10⁻²⁷ eV/c². गांगेय सदिश विभव को चुम्बकीय वलय पर लगाए गए बलाघूर्ण को मापकर भी सीधे जांचा जा सकता है। इस तरह के तरीकों का उपयोग की तेज ऊपरी सीमा प्राप्त करने के लिए किया गया था 1.07×10⁻²⁷ eV/c² (के समकक्ष 10⁻³⁶ daltons) कण डेटा समूह द्वारा दिया गया।

गांगेय वेक्टर क्षमता के कारण होने वाले प्रभावों के गैर-अवलोकन से इन तेज सीमाओं को मॉडल-निर्भर दिखाया गया है। यदि फोटॉन द्रव्यमान हिग्स तंत्र के माध्यम से उत्पन्न होता है तो की ऊपरी सीमा m ≲ 10⁻¹⁴ eV/c² कूलम्ब के नियम के परीक्षण से वैध है।

See also: सुपरनोवा/त्वरण जांच

ऐतिहासिक विकास

Main article: प्रकाश

File:Young Diffraction.png

1801 में थॉमस यंग (वैज्ञानिक) के डबल-स्लिट प्रयोग ने दिखाया कि प्रकाश एक तरंग के रूप में कार्य कर सकता है, जिससे प्रकाश के प्रारंभिक प्रारंभिक कण सिद्धांतों को अमान्य करने में मदद मिलती है।

अठारहवीं शताब्दी तक अधिकांश सिद्धांतों में, प्रकाश को कणों से बने होने के रूप में चित्रित किया गया था। चूंकि उप-परमाणु कण मॉडल प्रकाश के अपवर्तन, विवर्तन और द्विअर्थीपन के लिए आसानी से जिम्मेदार नहीं हो सकते हैं, प्रकाश के तरंग सिद्धांत रेने डेसकार्टेस (1637) द्वारा प्रस्तावित किए गए थे। रॉबर्ट हुक (1665), और क्रिस्टियान ह्यूजेंस (1678); हालांकि, मुख्य रूप से आइजैक न्यूटन के प्रभाव के कारण कण मॉडल प्रमुख बने रहे। 19वीं शताब्दी की प्रारम्भ में, थॉमस यंग (वैज्ञानिक) और ऑगस्टिन-जीन फ्रेस्नेल ने स्पष्ट रूप से हस्तक्षेप (लहर प्रसार) और प्रकाश के विवर्तन का प्रदर्शन किया, और 1850 तक तरंग मॉडल सामान्यतः स्वीकार किए गए थे। जेम्स क्लर्क मैक्सवेल के 1865 मैक्सवेल के समीकरण वह प्रकाश एक विद्युत चुम्बकीय तरंग थी - जिसकी पुष्टि 1888 में हेनरिक हर्ट्ज़ द्वारा रेडियो की खोज द्वारा प्रयोगात्मक रूप से की गई थी प्रकाश के कण मॉडल पर अंतिम प्रहार किया गया था।

File:Light-wave.svg

मैक्सवेल के मैक्सवेल के समीकरणों को दोलन विद्युत क्षेत्र और चुंबकीय क्षेत्र के रूप में पूरा किया गया। हालांकि, विद्युत चुम्बकीय विकिरण के किसी भी तरंग मॉडल द्वारा कई अवलोकनों को समझाया नहीं जा सका, जिससे यह विचार आया कि प्रकाश-ऊर्जा को क्वांटा में पैक किया गया था जिसका वर्णन किया गया था E = hν . बाद के प्रयोगों से पता चला कि ये प्रकाश-क्वांटा भी गति लेते हैं और इस प्रकार, प्राथमिक कण माना जा सकता है: फोटॉन अवधारणा का जन्म हुआ, जिससे स्वयं विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों की गहरी समझ पैदा हुई।

हालाँकि, विद्युत चुम्बकीय तरंग समीकरण, प्रकाश के सभी गुणों के लिए जिम्मेदार नहीं है। मैक्सवेल सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि प्रकाश तरंग की ऊर्जा केवल इसकी तीव्रता (भौतिकी) पर निर्भर करती है, इसकी आवृत्ति पर नहीं; फिर भी, कई स्वतंत्र प्रकार के प्रयोगों से पता चलता है कि प्रकाश द्वारा परमाणुओं को प्रदान की जाने वाली ऊर्जा केवल प्रकाश की आवृत्ति पर निर्भर करती है, इसकी तीव्रता पर नहीं। उदाहरण के लिए, फोटोकैमिस्ट्री केवल एक निश्चित सीमा से अधिक आवृत्ति के प्रकाश से उकसाया जाता है; थ्रेशोल्ड से कम आवृत्ति का प्रकाश, चाहे कितना भी तीव्र हो, प्रतिक्रिया प्रारम्भ नहीं करता है। इसी प्रकार, धात�