Fotons ir elementārdaļiņu veids, kas veido elektromagnētiskā starojuma pamatvienību, kas ietver radioviļņus, infrasarkano staru, redzamo gaismu, ultravioleto, rentgenstarus un gamma starus. Fotoniem nav masas, nav elektriskā lādiņa, un tie pārvietojas ar gaismas ātrumu. Atšķirībā no dažām daļiņām, piemēram, protoniem un neitroniem, netiek uzskatīts, ka tās sastāv no mazākiem komponentiem. Tās pieder pie daļiņu klases, kas ir atbildīgas par dabas pamatspēkiem un nes elektromagnētisko spēku. Saskaņā ar kvantu elektrodinamikas teoriju veidu, kā elektriski lādētas daļiņas izturas viena pret otru, var aprakstīt fotonu izteiksmē.
Šķiet, ka 19. gadsimtā veiktie eksperimenti pierādīja, ka gaisma sastāv no viļņiem. Tomēr 20. gadsimta sākumā citi eksperimenti liecināja, ka tas sastāv no daļiņām. Lai gan šķiet pretrunīgi, gaisma un citi elektromagnētiskā starojuma veidi patiesībā darbojas kā abas formas. Fotoni ir gaismas daļiņas, taču tiem ir arī viļņiem līdzīgas īpašības, piemēram, viļņa garums un frekvence.
Fotoni un matērija
Matērija var mijiedarboties ar gaismas daļiņām vairākos veidos. Piemēram, elektrons atomā var absorbēt fotonu, liekot tam pāriet uz augstāku enerģijas līmeni. Laika gaitā elektrons var atgriezties zemākā enerģijas līmenī, izstarojot papildu enerģiju kā fotonu. Acs spēj uztvert gaismu, jo noteiktas tīklenes molekulas absorbē enerģiju no fotoniem redzamās gaismas frekvenču diapazonā. Šī enerģija tiek pārvērsta elektriskos impulsos, kas virzās pa redzes nervu smadzenēs.
Dažos gadījumos elektroni var absorbēt relatīvi augstas enerģijas ultravioletās gaismas daļiņas, pēc tam izstaro enerģiju kā redzamās gaismas fotonus ar garāku viļņu garumu. Šo parādību sauc par fluorescenci. Molekulas var absorbēt enerģiju infrasarkanajā frekvencē, kas liek tām vairāk pārvietoties, kā rezultātā palielinās temperatūra; tāpēc objektus var sildīt ar saules gaismu vai elektrisko sildītāju. Ļoti augstas enerģijas fotoniem, piemēram, rentgena un gamma stariem, var būt destruktīva ietekme uz vielu. Viņiem ir pietiekami daudz enerģijas, lai noņemtu elektronus no atomiem, veidojot pozitīvi lādētus jonus, un pārrautu ķīmiskās saites. Šīs sekas izraisa ķīmiskas izmaiņas, kas var būt ļoti kaitīgas dzīviem organismiem.
Atklājums
Fotona koncepcija un atklāšana ir cieši saistīta ar kvantu teorijas attīstību. Ap 1900. gadu teorētiskais fiziķis Makss Planks atrada risinājumu problēmai, kas jau kādu laiku bija satraukusi zinātniekus, kas saistīta ar objekta izstarotā elektromagnētiskā starojuma frekvencēm dažādās temperatūrās. Viņš ierosināja, ka enerģija nāk mazās, nedalāmās vienībās, kuras viņš sauca par kvantiem. Alberta Einšteina darbs pie fotoelektriskā efekta 1905. gadā sniedza spēcīgus eksperimentālus pierādījumus, ka kvanti ir reāli. Tomēr tikai 1926. gadā terminu “fotons” pirmo reizi izmantoja ķīmiķis Gilberts N. Lūiss, lai aprakstītu gaismas kvantus.
Enerģija un frekvence
Planks parādīja, kā gaismas kvanta enerģija ir saistīta ar tā frekvenci. Viņš definēja konstanti, kas pazīstama kā Planka konstante, kas, reizinot ar gaismas kvanta frekvenci, dod savu enerģiju. Tāpēc augstas frekvences fotoniem, piemēram, rentgena stariem, ir vairāk enerģijas nekā zemo frekvenču fotoniem, piemēram, radioviļņiem. Planka konstante ir ārkārtīgi maza; tomēr lielākā daļa gaismas avotu rada milzīgu skaitu šo daļiņu, tāpēc kopējā enerģija var būt ievērojama.
Kvantu elektrodinamika
Attīstoties kvantu teorijai, kļuva skaidrs, ka dabas spēki kaut kādā veidā ir jāpārnēsā aģentiem, kuri nevar pārvietoties ātrāk par gaismu, un ka šie aģenti ir jākvantē: tie var pastāvēt tikai kā nedalāmu vienību daudzkārtņi. Attiecības starp gaismu, elektrību un magnētismu bija skaidri noteiktas jau 19. gadsimtā. Tomēr tajā laikā tika pieņemts, ka gaisma un citi elektromagnētiskā starojuma veidi sastāv no viļņiem. Pēc fotonu atklāšanas tika izstrādāta jauna teorija, ko sauc par kvantu elektrodinamiku, kas izskaidroja, kā fotoni nes elektromagnētisko spēku.
Gaismas Ātrums
Fotoni vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu vakuumā, kas ir aptuveni 186,000 300,000 jūdzes (XNUMX XNUMX kilometru) sekundē. Saskaņā ar Einšteina speciālās relativitātes teoriju nevienam materiālam objektam nav iespējams sasniegt šo ātrumu, jo masa palielinās līdz ar ātrumu, tā ka ātruma palielināšanai ir nepieciešams arvien vairāk enerģijas. Fotoni pārvietojas gaismas ātrumā, jo tiem nav masas.
Gaisma var palēnināties, piemēram, izejot cauri stiklam, bet atsevišķas gaismas daļiņas netiek palēninātas. Tos absorbē atomi, kas īslaicīgi iegūst enerģiju, ātri to atkal atbrīvojot cita fotona veidā ar tādu pašu frekvenci. Tas notiek daudzas reizes, kad gaisma iet cauri stiklam (vai dažām citām vielām), un neliela aizkave starp enerģijas absorbciju un izdalīšanos nozīmē, ka daļiņām ir nepieciešams ilgāks laiks, lai tās izietu cauri gaisam vai vakuumam. Tomēr katrs fotons vienmēr pārvietojas ar gaismas ātrumu.
Īpašā relativitāte parāda, ka ceļošanai tuvu gaismas ātrumam ir dažas dīvainas sekas. Piemēram, laiks palēninās attiecībā pret objektiem, kas nekustas, un šo efektu sauc par laika paplašināšanos. Ja astronauts paātrina attālumu no Zemes līdz nedaudz zem gaismas ātruma un pēc gada atgriežas — saskaņā ar savu kalendāru — viņš var atklāt, ka uz Zemes ir pagājuši desmit gadi. Astronautam nav iespējams sasniegt gaismas ātrumu, taču daudzi cilvēki ir prātojuši par to, ko laika dilatācija nozīmē fotoniem. Saskaņā ar īpašo relativitātes teoriju laikam ir jāapstājas pavisam.
Cilvēks, kas raugās uz Andromedas galaktiku, kas atrodas 2.2 miljonu gaismas gadu attālumā, redz fotonus, kas, no viņas skatpunkta, ir nobraukuši 2.2 miljonus gaismas gadu un prasījuši 2.2 miljonus gadu, lai to paveiktu. Tomēr var teikt, ka no fotonu viedokļa ceļojums nav prasījis vispār un ka nobrauktais attālums patiesībā ir nulle. Tā kā katra gaismas daļiņa “dzimst” zvaigznē un eksistē līdz brīdim, kad tā nonāk astronoma tīklenē, varētu arī teikt, ka fotons no sava viedokļa eksistē nulle laiku, tātad vispār neeksistē. Tomēr zinātnieku vienprātība ir tāda, ka vienkārši nav jēgas domāt par gaismas daļiņām kā tādām, kurām ir viedoklis vai kuras kaut ko “pieredz”.