ഫോട്ടോൺ

പ്രകാശം എന്ന വാക്ക് കൊണ്ട് ഇവിടെ വിവക്ഷിക്കുന്നത് വിദ്യുത്കാന്തിക പ്രസരണത്തിലെ ഏത് തരംഗത്തേയുമാകാം. അതിനാൽ എക്സ്-കിരണങ്ങൾ, ഗാമാ കിരണങ്ങൾ, അൾട്രാവയലറ്റ് കിരണങ്ങൾ, മൈക്രോതരംഗങ്ങൾ, റേഡിയോ തരംഗങ്ങൾ, ദൃശ്യപ്രകാശം തുടങ്ങിയവ എല്ലാം പ്രകാശത്തിന്റെ വിവിധ രൂപങ്ങളാണ്.

ആധുനിക ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ വിദ്യുത്കാന്തിക തരംഗത്തിനു കാരണമാകുന്ന മൗലിക കണം (elementary particle) ആകുന്നു ഫോട്ടോൺ. എല്ലാ വിദ്യുത്കാന്തിക പ്രതിപ്രവർത്തനങ്ങളിലും മദ്ധ്യസ്ഥത വഹിക്കുന്ന മൗലിക കണം ആണ് ഇത്. ഫോട്ടോണിന്റെ ദ്രവ്യമാനം പൂജ്യവും അത് c (ശൂന്യതയിലെ പ്രകാശവേഗത‍) എന്ന സ്ഥിരവേഗതയിൽ സഞ്ചരിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. പദാർത്ഥത്തിന്റെ സാന്നിദ്ധ്യം അതിന്റെ ആവർത്തിക്ക് ആനുപാതികമായ ഊർജ്ജവും ആക്കവും കൈമാറ്റം ചെയ്ത് ഫോട്ടോണിന്റെ വേഗത കുറയുകയോ ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുകയോ ചെയ്യുന്നു. മറ്റുള്ള എല്ലാ “ക്വാണ്ട“ ത്തേപ്പോലെയും ഫോട്ടോണിനു തരംഗത്തിന്റേയും കണികയുടേയും സ്വഭാവം ഉണ്ട്. അതായത് ഫോട്ടോൺ തരംഗ-കണിക ദ്വന്ദ്വത (wave-particle duality) പ്രദർശിപ്പിക്കുന്നു.

ചില പരീക്ഷണ നിരീക്ഷണങ്ങളെ ക്ലാസ്സിക്കൽ ഭൌതീകത്തിലെ തരംഗമാതൃകയ്ക്ക് വിശദീകരിക്കാൻ കഴിയാതെ വന്നപ്പോൾ ആൽബർട്ട് ഐൻ‌സ്റ്റീനാണ് ഫോട്ടോണിന്റെ ആധുനിക ധാരണ ക്രമേണ (1905-1917) രൂപപ്പെടുത്തിയെടുത്തത്. പ്രകാശത്തിന്റെ ഊർജ്ജത്തിന്റെ ആവൃത്തിയിലുള്ള വിധേയത്വവും, പദാർത്ഥവും (matter) വികിരണവും (radiation) താപസമീകരണത്തിൽ (thermal equilibrium) ആകുന്ന പ്രതിഭാസവും വിശദീകരിക്കുവാൻ ഫോട്ടോൺ മാതൃകയ്ക്ക് കഴിഞ്ഞു. ചില ഭൌതീകശാസ്ത്രജ്ഞന്മാർ ഈ അസാധാരണ പ്രതിഭാസങ്ങളെ അർദ്ധ ക്ലാസ്സിക്കൽ മാതൃക അനുസരിച്ച് വിശദരിക്കാൻ ശ്രമിച്ചു. ഈ അർദ്ധ ക്ലാസ്സിക്കൽ മാതൃകയിൽ പ്രകാശത്തെ മാക്സ്‌വെൽ സമവാക്യങ്ങൾ (Maxwell's equations) അനുസരിച്ചും എന്നാൽ പ്രകാശം ഉതിർക്കുകയും ആഗിരണം ചെയ്യുകയും ചെയ്യുന്നത് ക്വാണ്ട ആയിട്ടുമാണ് എന്നായിരുന്നു കരുതിയിരുന്നത്.

സൈദ്ധാന്തിക ഭൌതീകശാസ്ത്രത്തിന്റേയും പരീക്ഷണ ജ്യോതിശാസ്ത്രത്തിന്റേയും മുന്നോട്ടുള്ള പുരോഗതിക്ക് ഫോട്ടോൺ സങ്കല്‌പം പല സംഭാവനകളും ചെയ്തു. ലേസറുകൾ (Lasers), ബോസ്-ഐൻ‌സ്റ്റൈൻ കൺ‌ഡൻസേഷൻ (Bose-Einstein Condensation), ക്വാണ്ടം ക്ഷേത്ര സിദ്ധാന്തം (Quantum field theory), ക്വാണ്ടം മെക്കാനിക്സിലെ സംഭവ്യതാ വിശദീകരണം (probabilitic interpretation of quantum mechanics) അങ്ങനെ പലതിനും തുടക്കം കുറിക്കാനും വിശദീകരണം നൽകാനും ഫോട്ടോൺ സങ്കല്‌പത്തിനു കഴിഞ്ഞു. കണികാ ഭൌതീകശാസ്ത്രത്തിലെ (particle physics) സ്റ്റാൻ‌ഡേർഡ് മോഡൽ പ്രകാരം എല്ലാ വൈദ്യുത, കാന്തിക ക്ഷേത്രങ്ങളുടേയും സൃഷ്ടിക്കുപിന്നിൽ ഫോട്ടോണുകൾ ആണ്. ഫോട്ടോണുകൾ മൂലമുണ്ടാകുന്ന ഈ വൈദ്യുത, കാന്തിക ക്ഷേത്രം എല്ലാ ഭൌതീകശാസ്ത്ര നിയമങ്ങൾക്കും സ്ഥലകാലത്തിലെ ഒരോ ബിന്ദുവിലും സമമിതി ഉണ്ടാകും എന്ന പ്രതിഭാസത്തിന്റെ ഫലമാണ്. ഫോട്ടോണിന്റെ നൈസർഗ്ഗിക സ്വഭാവങ്ങൾ -ചാർജ്ജ്,ദ്രവ്യമാനം, സ്‌പിൻ - തീരുമാനിക്കുന്നത് ഈ അളവുകോൽ സമമിതിയുടെ (gauge symmetry) സ്വഭാവങ്ങൾ ആണ്. പ്രകാശരസതന്ത്രം (photo chemistry), ഉയർന്ന റെസല്യൂഷൻ മൈക്രോസ്കോപ്പി (high-resolution microscopy) , തന്മാത്രകൾക്കിടയ്ക്കുള്ള അളവ് (measurements of molecular distance) എന്നിവയുടെയൊക്കെ സാങ്കേതികയ്ക്ക് പിന്നിൽ ഫോട്ടോണാണ്. ഈ അടുത്ത കാലത്ത് ക്വാണ്ടം കമ്പ്യൂട്ടറിന്റെ മൂലകണിക ആയും ഒപ്‌റ്റികൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷനിലെ വളരെ പരിഷ്കൃതമായ അപ്ലിക്കേഷനായ ക്വാണ്ടം ക്രിപ്‌റ്റോഗ്രാഫിയുടെ പഠനത്തിനും ഫോട്ടോണിനെ ഉപയോഗിക്കുന്നു.

പേരിനു പിന്നിൽ

1900-ൽ മാക്സ് പ്ലാങ്ക് ബ്ലാക്ക് ബോഡി റേഡിയേഷനെക്കുറിച്ചുള്ള പഠനത്തിനിടെ വൈദ്യുതകാന്തികതരഗങ്ങളുടെ ഊർജ്ജം "ചെറുപൊതി"കളായാവാം കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നത് എന്ന് അനുമാനിച്ചു. 1901-ൽ Annalen der Physik എന്ന ശാസ്ത്രപ്രസിദ്ധീകരണത്തിൽ അദ്ദേഹം ഈ പൊതികളെ "energy elements" എന്നു വിളിച്ചു. 1900 -നു മുൻപ് ക്വാണ്ടം എന്ന പദം കണിക അല്ലെങ്കിൽ വൈദ്യുതി പോലുള്ള ഘടകങ്ങളുടെ അളവിനെ സൂചിപ്പിക്കാൻ ഉപയോഗിച്ചിരുന്നു.പിന്നീട് 1905-ൽ ആൽബർട്ട് ഐൻസ്റ്റൈൻ വൈദ്യുത കാന്തികതരംഗങ്ങളുടെ ചെറു പൊതികളെ പ്രകാശ ക്വാണ്ടം (light quantum ,German: das Lichtquant) എന്നു വിളിച്ചു..

ഫോട്ടോൺ എന്ന പദത്തിന്റെ ഉത്ഭവം പ്രകാശം എന്നർത്ഥമുള്ള φως (phôs) എന്ന ഗ്രീക്ക് പദത്തിൽ നിന്നാണ്. 1926-ൽ ഭൗതികരസതന്ത്രജ്ഞനായ ഗിൽബർട്ട് ലൂയിസാണ് ഈ പദം ആദ്യമായി ഉപയോഗിച്ചത്. ഫോട്ടോൺ നിർമ്മിക്കുവാനോ നശിപ്പിക്കുവാനോ സാധ്യമല്ലെന്നു വാദിച്ച അദ്ദേഹത്തിന്റെ സിദ്ധാന്തം പരാജയപ്പെട്ടുവെങ്കിലും ഫോട്ടോൺ എന്ന പേര് ശാസ്ത്രലോകം സ്വീകരിച്ചു.". ഭൗതികശാസ്ത്രത്തിൽ γ (ഗാമ) എന്ന ഗ്രീക്ക് അക്ഷരമാണ് ഫോട്ടോണിനെ സൂചിപ്പിക്കാൻ ഉപയോഗിക്കാറ്. വൈദ്യുതകാന്തികതരംഗങ്ങളായ ഗാമാതരംഗങ്ങളിൽ നിന്നാവാം ഈ സൂചകത്തിന്റെ ഉത്ഭവം. രസതന്ത്രത്തിലും ഒപ്ടിക്കൽ എഞ്ചിനീയറിംഗിലും ഫോട്ടോണുകൾ hν(അല്ലെങ്കിൽ hf) എന്നാണ് സൂചിപ്പിക്കാറ്.

പ്രത്യേകതകൾ

ഫോട്ടോണിന് പിണ്ഡമോ വൈദ്യുതചാർജ്ജോ ഇല്ല . ഇതിന് രണ്ടു ധ്രുവണാവസ്ഥകൾ(polarization states) സാധ്യമാണ്.വേവ് വെക്ടറിന്റെ components ആണ് ഫോട്ടോണിന്റെ തരംഗദൈർഘ്യത്തെയും സഞ്ചാരദിശയെയും കുറിച്ചുള്ള വിവരങ്ങൾ തരുന്നത്. വൈദ്യുതകാന്തികക്ഷേത്രത്തിലെ വാഹകർ (ഗേജ് ബോസോൺ) ആയതുകൊണ്ട് ഇതിന്റെ മറ്റു ക്വാണ്ടം സംഖ്യകൾ (ലെപ്റ്റോൺ സംഖ്യ,ബേരിയോൺ സംഖ്യ,flavour quantum numbers) എന്നിവ പൂജ്യമാണ്.

പ്രകൃതിയിലെ പല ഭൗതിക-രാസ പ്രവർത്തനങ്ങളുടെയും ഫലമായി ഫോട്ടോൺ ഉത്സർജ്ജിക്കപ്പെടാറുണ്ട്.ഉദാഹരണത്തിന് ഒരു വൈദ്യുത ചാർജ്ജിന്റെ ത്വരണം കാരണം സിങ്ക്രോട്രോൺ റേഡിയേഷൻ ഉണ്ടാവുന്നു. തന്മാത്രയിലോ ആറ്റത്തിലോ അണുകേന്ദ്രത്തിലോ ഉള്ള വിവിധ ഊർജനിലകൾക്കിടയിലുള്ള കണികകളുടെ സംക്രമങ്ങൾ(transition) കാരണം പല ഊർജ്ജമുള്ള ഫോട്ടോണുകൾ -ഇൻഫ്രാറെഡ് മുതൽ ഗാമാ തരംഗം വരെ- പുറന്തള്ളപ്പെടുന്നു. ഒരു കണവും അതിന്റെ പ്രതികണവും ചേർന്ന് ഉന്മൂലനം(annihilation) നടക്കുമ്പോഴും ഫോട്ടോൺ ഉത്സർജ്ജിക്കപ്പെടാം.

ശൂന്യതയിൽ ഫോട്ടോണിന്റെ വേഗത c (പ്രകാശപ്രവേഗം) ആണ്. അതിന്റെ ഊർജ്ജത്തെയും സംവേഗത്തെയും ബന്ധിപ്പിക്കുന്ന സമവാക്യം ഫലകം:Nowrap ആണ്.ഇവിടെ p സംവേഗ സദിശത്തിന്റെ പരിമാണം(Magnitude) ആണ്.ഇത് വിശിഷ്ട ആപേക്ഷികതയിലെ ഊർജ്ജസമവാക്യത്തിൽ($E^2=p^2{c}^2+m^2{c}^4.$) പിണ്ഡം പൂജ്യമാക്കുമ്പോൾ ലഭിക്കും.

ഫോട്ടോണിന്റെ ഊർജ്ജവും സംവേഗവും അതിന്റെ ആവൃത്തിയെ പ്ലാങ്ക് സ്ഥിരാങ്കവും ആണ്.

സംവേഗ സദിശം p ഫോട്ടോണിന്റെ സഞ്ചാരദിശയിലാണുള്ളത്.അതിന്റെ പരിമാണം;

$p=\hslash k=\frac{h\nu }{c}=\frac{h}{\lambda }.$

ഫോട്ടോണിന് അതിന്റെതായ(intrinsic) ഭ്രമണ കോണീയസംവേഗം(Spin angular momentum) ഉണ്ട്. അതിന് ആവൃത്തിയുമായി ബന്ധമില്ല. അതിന്റെ പരിമാണം $\sqrt{2}\hslash$ ആണ്.