Fotoni on eräänlainen alkeishiukkanen, joka muodostaa sähkömagneettisen säteilyn perusyksikön, joka sisältää radioaaltoja, infrapuna-, näkyvää valoa, ultraviolettisäteilyä, röntgensäteitä ja gammasäteitä. Fotoneilla ei ole massaa, sähkövarausta ja ne kulkevat valon nopeudella. Toisin kuin jotkut hiukkaset, kuten protonit ja neutronit, niiden ei uskota koostuvan pienistä komponenteista. Ne kuuluvat hiukkasten luokkaan, jotka ovat vastuussa luonnon perusvoimista ja kuljettavat sähkömagneettista voimaa. Kvanttelektrodynamiikan teorian mukaan tapa, jolla sähköisesti varautuneet hiukkaset käyttäytyvät toisiaan kohtaan, voidaan kuvata fotoneina.
19 -luvulla tehdyt kokeet näyttivät osoittavan, että valo koostui aalloista. 20 -luvun alussa kuitenkin muut kokeet osoittivat, että se koostui hiukkasista. Vaikka se näyttää ristiriitaiselta, valo ja muut sähkömagneettisen säteilyn muodot toimivat itse asiassa molempina muodoina. Fotonit ovat valon hiukkasia, mutta niillä on myös aaltomaisia ominaisuuksia, kuten aallonpituus ja taajuus.
Fotonit ja aine
Aine voi olla vuorovaikutuksessa valon hiukkasten kanssa monin tavoin. Esimerkiksi atomin elektroni voi absorboida fotonin, jolloin se hyppää korkeammalle energiatasolle. Ajan myötä elektroni voi palata alemmalle energiatasolle, joka lähettää ylimääräistä energiaa fotonina. Silmä pystyy havaitsemaan valon, koska tietyt verkkokalvon molekyylit absorboivat energiaa fotoneista näkyvän valon taajuusalueella. Tämä energia muunnetaan sähköimpulsseiksi, jotka kulkevat optista hermoa pitkin aivoihin.
Joissakin tapauksissa elektronit voivat absorboida suhteellisen suuren energian ultraviolettivalon hiukkasia ja lähettää sitten energiaa näkyvän valon pitempien aallonpituisten fotonien muodossa, ilmiö tunnetaan fluoresenssina. Molekyylit voivat absorboida energiaa infrapunataajuuksilla, mikä saa ne liikkumaan enemmän, mikä johtaa lämpötilan nousuun; tämän vuoksi esineitä voidaan lämmittää auringonvalolla tai sähkölämmittimellä. Erittäin suuren energian fotoneilla, kuten röntgen- ja gammasäteillä, voi olla tuhoisa vaikutus aineeseen. Niillä on tarpeeksi energiaa elektronien poistamiseksi atomista, positiivisesti varautuneiden ionien muodostamiseen ja kemiallisten sidosten katkaisemiseen. Nämä vaikutukset aiheuttavat kemiallisia muutoksia, jotka voivat olla erittäin vahingollisia eläville organismeille.
Löytö
Fotonin käsite ja löytö liittyvät läheisesti kvanttiteorian kehitykseen. Noin vuonna 1900 teoreettinen fyysikko Max Planck löysi ratkaisun ongelmaan, joka oli vaivannut tiedemiehiä jo jonkin aikaa, mukaan lukien esineen säteilyn taajuudet eri lämpötiloissa. Hän ehdotti, että energiaa tuli pieninä, jakamattomina yksikköinä, joita hän kutsui kvanteiksi. Albert Einsteinin työ valosähköisestä vaikutuksesta vuonna 1905 antoi vahvaa kokeellista näyttöä siitä, että kvantit olivat todellisia. Vasta vuonna 1926 termiä “fotoni” käytettiin kuitenkin ensin – kemisti Gilbert N. Lewis – kuvaamaan valokvantteja.
Energia ja taajuus
Planck osoitti, kuinka valon kvantin energia liittyy suhteessa sen taajuuteen. Hän määritteli vakion, joka tunnetaan nimellä Planckin vakio, joka kerrottuna valokvantin taajuudella antaa energiansa. Suurtaajuisilla fotoneilla, kuten röntgensäteillä, on siksi enemmän energiaa kuin matalilla taajuuksilla, kuten radioaalloilla. Planckin vakio on erittäin pieni; useimmat valonlähteet tuottavat kuitenkin valtavia määriä näitä hiukkasia, joten kokonaisenergia voi olla huomattava.
Kvanttielektrodynamiikka
Kvanttiteorian kehittyessä kävi ilmi, että luonnonvoimia täytyy kantaa jollakin tavalla aineiden, jotka eivät pystyisi kulkemaan valoa nopeammin, ja että nämä aineet on “kvantisoitava”: ne voivat olla olemassa vain jakamattomien yksiköiden moninaisina. Valon, sähkön ja magnetismin suhde oli tullut selväksi jo 19 -luvulla. Valon ja muun sähkömagneettisen säteilyn muodon oletettiin kuitenkin tuolloin koostuvan aalloista. Fotonien löytämisen jälkeen kehitettiin uusi teoria nimeltä kvanttelektrodynamiikka, joka selitti kuinka fotonit kuljettavat sähkömagneettista voimaa.
Valon nopeus
Fotonit kulkevat aina valon nopeudella tyhjiössä, joka on noin 186,000 300,000 mailia (XNUMX XNUMX kilometriä) sekunnissa. Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan mikään aineellinen esine ei voi saavuttaa tätä nopeutta, kun massa kasvaa nopeuden myötä, joten nopeuden lisääminen vaatii yhä enemmän energiaa. Fotonit kulkevat valonnopeudella, koska niillä ei ole massaa.
Valo voi hidastua esimerkiksi kulkiessaan lasin läpi, mutta yksittäisiä valohiukkasia ei hidasteta. Atomit imevät ne, jotka saavat väliaikaisesti energiaa ja vapauttavat sen nopeasti toisen fotonin muodossa samalla taajuudella. Tämä tapahtuu monta kertaa, kun valo kulkee lasin (tai joidenkin muiden aineiden) läpi, ja pieni viive energian imeytymisen ja vapautumisen välillä tarkoittaa, että hiukkaset kulkevat kauemmin kuin ilman tai tyhjiön läpi. Jokainen fotoni kulkee kuitenkin aina valonnopeudella.
Erityinen suhteellisuusteoria osoittaa, että matkalla lähellä valon nopeutta on outoja seurauksia. Esimerkiksi aika hidastuu suhteessa liikkumattomiin kohteisiin, mikä tunnetaan aikadilataationa. Jos astronautti kiihtyy poispäin Maasta hieman alle valonnopeuden ja palaa vuotta myöhemmin – kalenterinsa mukaan – hän saattaa huomata, että Maassa on kulunut kymmenen vuotta. Astronautin ei ole mahdollista saavuttaa valon nopeutta, mutta monet ihmiset ovat pohtineet, mitä aikadilataatio tarkoittaa fotoneille. Erityisen suhteellisuusteorian mukaan ajan on pysähdyttävä kokonaan.
Ihminen, joka katsoo Andromedan galaksia, joka on 2.2 miljoonan valovuoden päässä, näkee fotoneja, jotka hänen näkökulmastaan ovat kulkeneet 2.2 miljoonaa valovuotta ja kestäneet 2.2 miljoonaa vuotta. Voidaan kuitenkin sanoa, että fotonien näkökulmasta matka ei ole kestänyt lainkaan ja että matka on itse asiassa nolla. Koska jokainen valohiukkanen ”syntyy” tähdessä ja on olemassa, kunnes se osuu tähtitieteilijän verkkokalvoon, voidaan myös sanoa, että omasta näkökulmastaan fotoni on olemassa nollan ajan, eikä siksi ollenkaan. Tiedemiehet ovat kuitenkin yksimielisiä siitä, että ei yksinkertaisesti ole järkevää ajatella, että valon hiukkasilla olisi näkökulma tai että ne ”kokisivat” jotain.