Foton

Z Wikipedii

Foton jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero m₀ = 0, liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych i są postrzegane jako fala elektromagnetyczna.

W fizyce foton oznacza (φοτος, znaczy światło – gr.) kwant pola elektromagnetycznego, np. widzialnego światła. W mechanice kwantowej pole elektromagnetyczne zachowuje się jak zbiór cząstek (fotonów). Światło jest z kwantowego punktu widzenia dużym strumieniem fotonów. Bardzo czułe instrumenty optyczne w astronomii potrafią rejestrować pojedyncze fotony.

W zależności od energii fotonów przenoszone przez nie promieniowanie ma inną nazwę. I tak mówi się (poczynając od najwyższej energii fotonu) o promieniowaniu gamma, rentgenowskim (promieniowaniu X), ultrafiolecie, świetle widzialnym, promieniowaniu podczerwonym (podczerwieni), mikrofalach, falach radiowych (promieniowaniu radiowym). Jednak z fizycznego punktu widzenia wszystkie te rodzaje promieniowania mają jednakową naturę.

W próżni fotony poruszają się z prędkością światła. Nie trafiając na żadne przeszkody mogą przebyć wiele miliardów lat świetlnych.

[edytuj] Historia

Doświadczenie Younga z 1805 roku pokazało, że światło może zachowywać się jak fala, co pomogło w zwalczaniu wczesnych cząsteczkowych modeli światła.

Aż do XVIII wieku większość teorii uważała, że światło jest stworzone z cząstek. Ponieważ model cząsteczkowy nie może łatwo wyjaśnić załamania, dyfrakcji i dwójłomności, powstały teorie o falowej naturze światła, zaproponowane przez Kartezjusza (1637), Roberta Hooke’a (1665) oraz Christiaana Huygensa (1678). Pomimo to wciąż dominowały modele cząsteczkowe, głównie z powodu wpływu Isaaca Newtona. Na początku dziewiętnastego wieku Thomas Young i Augustin-Jean Fresnel zademonstrowali interferencję oraz dyfrakcję światła i od 1850 roku modele falowe zostały powszechnie zaakceptowane. W 1865 roku przypuszczenie Jamesa Clerka Maxwella, że światło jest falą elektromagnetyczną – które zostało potwierdzone eksperymentalnie w 1889 roku przez Heinricha Hertza poprzez wykrycie fal radiowych – zdawało się być ostatecznym ciosem dla cząsteczkowych modeli światła.

W 1900 roku teoretyczny model światła Maxwella jako oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych zdawał się być kompletny. Pomimo to, pewne zjawiska nie mogły być wytłumaczone przez żaden model falowy promieniowania elektromagnetycznego, co doprowadziło do przypuszczenia, że energia świetlna jest skwantowana co opisuje wzór E=hν. Późniejsze doświadczenia pokazały, że te kwanty światła posiadają także pęd i z tego powodu można je uznać za cząstki: narodziła się idea fotonu, która doprowadziła do głębszego zrozumienia pola magnetycznego i elektrycznego.

Teoria falowa Maxwella nie wyjaśnia jednak wszystkich własności światła. Teoria ta przewiduje, że energia fali świetlnej zależy wyłącznie od jej natężenia i nie ma związku z jej częstotliwością. Pomimo to szereg różnych, niezależnych eksperymentów pokazuje, że energia przekazywana przez światło atomom zależy wyłącznie od częstotliwości światła, a nie od jego natężenia. Na przykład niektóre reakcje chemiczne są wyzwalane tylko przez światło o częstotliwości wyższej od pewnej wartości progowej, a światło o częstotliwości niższej od progowej, bez względu na jego natężenie, nie zapoczątkuje reakcji. Podobnie, elektrony mogą zostać wybite z metalowej płytki przez oświetlanie jej światłem o wystarczająco wysokiej częstotliwości (efekt fotoelektryczny). Energia wybitego elektronu zależy jedynie od częstotliwości światła.

W tym samym czasie, badania nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego prowadzone przez ponad cztery dekady (1860-1900) przez wielu badaczy zostały uwieńczone hipotezą Maxa Plancka, głoszącą, że energia dowolnego układu który pochłania lub emituje promieniowanie o częstotliwości ν jest całkowitą wielokrotnością kwantu energii E = hν. Jak wykazał to Albert Einstein, pewien rodzaj kwantyzacji energii musi być założony, by wyjaśnić równowagę termiczną zachodzącą pomiędzy materią a promieniowaniem elektromagnetycznym.

Ponieważ teoria światła Maxwella dopuszczała wszystkie możliwe energie promieniowania elektromagnetycznego, większość fizyków przypuszczała początkowo, że energia kwantyzacji jest rezultatem pewnego nieznanego ograniczenia dla materii, która pochłania lub emituje światło. W 1905 roku Einstein zasugerował jako pierwszy, że energia kwantyzacji jest własnością samego promieniowania elektromagnetycznego. Chociaż Einstein uważał teorię Maxwella za słuszną, wskazał, że wiele niewytłumaczalnych eksperymentów mogłoby być wyjaśnione gdyby energia Maxwellowskiej fali świetlnej była zlokalizowana w punktowych kwantach, poruszających się niezależnie od siebie, nawet jeżeli sama fala rozprzestrzenia się w sposób ciągły w przestrzeni. W 1909 i 1916 roku Einstein wykazał, że jeśli prawo Plancka opisujące promieniowanie ciała doskonale czarnego jest słuszne, kwanty energii muszą posiadać pęd p = h / λ, co czyni je pełnoprawnymi cząstkami. Pęd fotonu został zaobserwowany eksperymentalnie przez Artura Comptona w rozpraszaniu wysokoenergetycznych fotonów na swobodnych elektronach. Fotony w takim oddziaływaniu zachowują się jak cząstki i układ foton-elektron po zderzeniu zachowuje pęd i energię. Po odkryciu zjawiska fotoelektrycznego, był to kolejny dowód na istnienie fotonów. Arthur Compton za odkrycie tego zjawiska (nazwanego od jego nazwiska efektem Comptona) otrzymał w 1927 roku Nagrodę Nobla. Kluczowe pytanie w tym okresie brzmiało: jak połączyć Maxwellowską falową teorię światła z jego cząsteczkową naturą, zaobserwowaną eksperymentalnie? Odpowiedź na to pytanie zaprzątała Alberta Einsteina przez resztę jego życia, a została znaleziona przez elektrodynamikę kwantową i jej następcę, Model Standardowy.

W 2007 roku fizycy z toruńskiego uniwersytetu: Wojciech Wasilewski, Piotr Kolenderski i Robert Frankowski ogłosili, że zbadali kształt fotonu. Wykorzystywane przez nich źródło emitowało najczęściej obłe fotony o długości ok. 45 mikrometrów.'^[1]. W przybliżeniu jeden na sześć fotonów miał 'kształt garbów wielbłąda i długość 65 mikrometrów' ^[2].

[edytuj] Zobacz też

• dualizm korpuskularno-falowy
• elektrodynamika kwantowa
• oddziaływanie elektromagnetyczne
• kwant energii

Przypisy