ينتمي علم الميكانيكا إلى علوم الفيزياء، وهو العلم الذي يدرس الطاقة ونقلها وحركة الأجسام وغيرها، ويشمل عددا من المفاهيم والمصطلحات الفيزيائية مثل الفوتون والفونون.
الفوتون مقابل الفونون
الفوتون والفونون كلمتان متقاربتان جدا، وقد يتم الخلط بينهما في بعض الأحيان. يعتبر الفوتون حزمة من الطاقة، وهو المبدأ الأساسي في ميكانيكا الكم، أما الفونون فهو اهتزاز جماعي لعدة ذرات. تعتبر كلا المفاهيمين مهمين جدا في مجال الفيزياء، حيث تعد نظرية الفوتون الأساسية التي تقوم عليها معظم الفيزياء الحديثة، والفونون أيضا مفهوم مهم في دراسة المواد واهتزازاتها الداخلية. في هذه المقالة، سنناقش طبيعة الفوتون والفونون والتشابه بينهما وتعريفهما وتطبيقات كل منهما، وأخيرا سنوضح الاختلاف بين الفوتون والفونون.
ما هو الفوتون
في ميكانيكا الموجة ونظرية الكم، تمت مناقشة الفوتون الذي يتصرف كجسيم للأمواج، حيث ينتقل الضوء في حزم من الأمواج، وكل حزمة من هذه الموجات تتصرف كجسيم تسمى الفوتون، وهو كمية ثابتة من الطاقة تعتمد على تردد الموجة، ويتم حساب طاقة الفوتون بمعادلة E=hf، حيث E هي طاقة الفوتون وh هو ثابت بلانك وf هو تردد الموجة. كما يمكن اعتبار الفوتونات حزما من الطاقة، ومع تطور نظرية النسبية، تم اكتشاف أن الأمواج تتصرف كجسيمات في التفاعل مع المادة، ولكن كتلة الفوتون هي صفر، وعندما يتحرك الفوتون بسرعة الضوء، فإن كتلته النسبية هي E/C²، حيث E هي طاقة الفوتون وC هي سرعة الضوء في الفراغ.
ما هو فونون
في المواد المكثفة مثل المواد الصلبة وبعض السوائل، تتصف الروابط بين الذرات والجزيئات بالمرونة في المستوى الذري، مما يؤدي إلى تأرجح الذرات والجزيئات. ويعرف ترتيب دوري مرن للذرات أو الجزيئات في المادة المكثفة باسم الفونون، ويشار غالبا إلى مجموعة من هذه الجسيمات المتذبذبة على أنها جسيم شبيه. وفي ميكانيكا الكم، ينظر إلى الإلكترون المتذبذب داخل الرابطة على أنه بئر كمومية أحادية البعد، وحيث إن الجسيمات شبيهة بمجموعة من هذه الإلكترونات، فيمكن اعتبار الجسيمات أنظمة كم ثنائية الأبعاد أو ثلاثية الأبعاد. والفونون هو نوع خاص من الاهتزاز في الشبكة حيث يتذبذب كل جزيء بنفس التردد، ويعرف هذا باسم الوضع العادي في الميكانيكا الكلاسيكية.
ما هو الفرق بين الفونون والفوتون
الفوتون هو شكل من أشكال الطاقة، بينما يعد الفونون وسيلة للتذبذب التي تحدث في هياكل شعرية.
يمكن اعتبار الفوتون كيانًا يمكن ملاحظته جسديًا على أنه موجة وجسيم في آنٍ واحد، وصوت الفونون هو وضع الاهتزاز، وليس موجة ولا جسيمًا.
الفوتونات هي الضوء والموجات الكهرومغناطيسية التي تنتج عندما يتم تحريك ذرة من حالة طاقة أعلى إلى حالة طاقة أقل، مما يؤدي إلى احتلال الثقوب وتركها وراءها، وعند حدوث ذلك يتم تحرير الفوتونات.
تعتبر الفونونات حالة فرعية محددة من الفوتونات، وتتميز بتعريف مستويات الطاقة بشكل جيد وقد تلعب دورًا مهمًا في بعض الظواهر، ومن هنا جاءت أسماء الفونونات.
نقاط القوة والضعف في الفنونات و الفوتونات
في المرحلة الحالية، نمتلك معرفة بالفوتونات ولكن لا نمتلك معرفة بالفونونات، ويمكن أن تكون الفونونات مشتقة من الفوتونات. وهناك فرصة كبيرة لأن تكون هذه المفاهيم الأساسية مهمة لفهم ظواهر الفيزياء، ولذلك يمنحون اسمًا محددًا.
الاهتزاز يتطور في البلورات بأوضاع عادية، وتكون السعة مبالغ فيها من الحركة لتسهيل المشاهدة في البلورة الفعلية، وغالبًا ما يكون الاهتزاز أصغر بكثير من تباعد الشعرية.
تتكون الفونونات، التي تشبه الموجة والجسيم في الوقت نفسه، من جزيئات الصوت أو الحرارة وتُظهر خصائصًا تشبه الطاقة الكمية، وتشير بنفس الطريقة التي تكون بها الفوتونات جزيئات الضوء.
تحدث هذه الظاهرة عندما تهتز الذرات أو الجزيئات حول روابطها. وعند التردد المنخفض، يتم إنتاج فونونات الصوت، وفي المقابل، تولد الذبذبات عالية التردد للذرات والجزيئات فونونات الحرارة.