Fotonas yra elementariosios dalelės rūšis, kuri sudaro pagrindinį elektromagnetinės spinduliuotės vienetą, apimantį radijo bangas, infraraudonuosius spindulius, matomą šviesą, ultravioletinius, rentgeno ir gama spindulius. Fotonai neturi masės, elektros krūvio ir sklinda šviesos greičiu. Skirtingai nuo kai kurių dalelių, tokių kaip protonai ir neutronai, manoma, kad jos nėra sudarytos iš mažesnių komponentų. Jie priklauso dalelių klasei, atsakingoms už pagrindines gamtos jėgas ir turinčių elektromagnetinę jėgą. Remiantis kvantinės elektrodinamikos teorija, tai, kaip elektriškai įkrautos dalelės elgiasi viena su kita, gali būti apibūdinamos fotonais.
Atrodė, kad XIX amžiuje atlikti eksperimentai įrodė, kad šviesą sudaro bangos. Tačiau XX amžiaus pradžioje kiti eksperimentai parodė, kad jis buvo sudarytas iš dalelių. Nors atrodo prieštaringa, šviesa ir kitos elektromagnetinės spinduliuotės formos iš tikrųjų elgiasi kaip abi formos. Fotonai yra šviesos dalelės, tačiau jie taip pat turi bangų savybių, tokių kaip bangos ilgis ir dažnis.
Fotonai ir materija
Medžiaga gali sąveikauti su šviesos dalelėmis įvairiais būdais. Pavyzdžiui, atomo elektronas gali sugerti fotoną, todėl jis peršoka į aukštesnį energijos lygį. Laikui bėgant elektronas gali grįžti į žemesnį energijos lygį, išskirdamas papildomą energiją fotono pavidalu. Akis gali aptikti šviesą, nes tam tikros tinklainės molekulės sugeria energiją iš fotonų matomos šviesos dažnių diapazone. Ši energija paverčiama elektriniais impulsais, kurie regos nervu keliauja į smegenis.
Kai kuriais atvejais elektronai gali sugerti santykinai didelės energijos ultravioletinės šviesos daleles, tada išspinduliuoti energiją kaip ilgesnės bangos ilgio matomos šviesos fotonai, reiškinys, žinomas kaip fluorescencija. Molekulės gali sugerti energiją infraraudonųjų spindulių dažniais, todėl jos daugiau juda, todėl pakyla temperatūra; Štai kodėl objektai gali būti šildomi saulės spinduliais arba elektriniu šildytuvu. Labai didelės energijos fotonai, tokie kaip rentgeno ir gama spinduliai, gali turėti destruktyvų poveikį medžiagai. Jie turi pakankamai energijos pašalinti elektronus iš atomų, sudarydami teigiamo krūvio jonus ir nutraukti cheminius ryšius. Šie poveikiai sukelia cheminius pokyčius, kurie gali būti labai žalingi gyviems organizmams.
Atradimas
Fotono samprata ir atradimas yra glaudžiai susiję su kvantinės teorijos raida. Apie 1900 metus teorinis fizikas Maksas Plankas rado sprendimą kurį laiką mokslininkus varginusiai problemai, susijusiai su objekto skleidžiamais elektromagnetinės spinduliuotės dažniais esant įvairiai temperatūrai. Jis pasiūlė, kad energija būtų mažų, nedalomų vienetų, kuriuos jis pavadino kvantais. Alberto Einšteino darbas apie fotoelektrinį efektą 1905 m. pateikė tvirtų eksperimentinių įrodymų, kad kvantai buvo tikri. Tačiau tik 1926 m. terminą „fotonas“ pirmą kartą panaudojo chemikas Gilbertas N. Lewisas, apibūdindamas šviesos kvantus.
Energija ir dažnis
Planckas parodė, kaip šviesos kvanto energija yra susijusi su jos dažniu. Jis apibrėžė konstantą, žinomą kaip Planko konstanta, kuri, padauginta iš šviesos kvanto dažnio, suteikia jos energiją. Todėl aukšto dažnio fotonai, tokie kaip rentgeno spinduliai, turi daugiau energijos nei žemo dažnio fotonai, pavyzdžiui, radijo bangos. Planko konstanta yra labai maža; tačiau dauguma šviesos šaltinių gamina labai daug šių dalelių, todėl bendra energija gali būti nemaža.
Kvantinė elektrodinamika
Tobulėjant kvantinei teorijai, tapo akivaizdu, kad gamtos jėgas tam tikru būdu turi nešti agentai, kurie negali keliauti greičiau už šviesą, ir kad šie agentai turi būti „kvantuoti“: jie gali egzistuoti tik kaip nedalomų vienetų kartotiniai. Ryšys tarp šviesos, elektros ir magnetizmo buvo aiškus jau XIX amžiuje. Tačiau tuo metu buvo manoma, kad šviesa ir kitos elektromagnetinės spinduliuotės formos susideda iš bangų. Po fotonų atradimo buvo sukurta nauja teorija, vadinama kvantine elektrodinamika, kuri paaiškino, kaip fotonai neša elektromagnetinę jėgą.
Šviesos greitis
Fotonai visada keliauja šviesos greičiu vakuume, kuris yra maždaug 186,000 300,000 mylių (XNUMX XNUMX kilometrų) per sekundę. Remiantis Einšteino specialiojo reliatyvumo teorija, jokiam materialiam objektui neįmanoma pasiekti tokio greičio, nes masė didėja greičiui, todėl greičiui padidinti reikia vis daugiau energijos. Fotonai keliauja šviesos greičiu, nes neturi masės.
Šviesa gali sulėtėti, kai praeina, pavyzdžiui, per stiklą, tačiau atskiros šviesos dalelės nesulėtėja. Juos sugeria atomai, kurie laikinai įgauna energijos, greitai ją vėl išskirdami kito tokio paties dažnio fotono pavidalu. Taip nutinka daug kartų, kai šviesa praeina per stiklą (ar kai kurias kitas medžiagas), o nedidelis vėlavimas tarp energijos sugerties ir išsiskyrimo reiškia, kad dalelės praeina ilgiau nei per orą ar vakuumą. Tačiau kiekvienas fotonas visada juda šviesos greičiu.
Specialusis reliatyvumas rodo, kad keliavimas artimu šviesos greičiui turi keistų pasekmių. Pavyzdžiui, laikas sulėtėja, palyginti su objektais, kurie nejuda, o tai žinoma kaip laiko išsiplėtimas. Jei astronautas įsibėgėja nuo Žemės iki šiek tiek mažesnio nei šviesos greičio, tada grįžta po metų – pagal savo kalendorių – jis gali pastebėti, kad Žemėje praėjo dešimt metų. Astronautas negali pasiekti šviesos greičio, tačiau daugelis žmonių spėliojo, ką fotonams reiškia laiko išsiplėtimas. Pagal specialųjį reliatyvumą laikas turi visiškai sustoti.
Žmogus, žiūrintis į Andromedos galaktiką, esančią už 2.2 milijono šviesmečių, mato fotonus, kurie, jos požiūriu, nukeliavo 2.2 milijono šviesmečių ir tam prireikė 2.2 milijono metų. Tačiau galima sakyti, kad fotonų požiūriu kelionė visai neužtruko ir kad nuvažiuotas atstumas iš tikrųjų yra lygus nuliui. Kadangi kiekviena šviesos dalelė „gimsta“ žvaigždėje ir egzistuoja tol, kol atsitrenkia į astronomo tinklainę, tai taip pat būtų galima teigti, kad savo požiūriu fotonas egzistuoja nulį laiko, taigi ir visai neegzistuoja. Tačiau mokslininkai sutaria, kad tiesiog nėra prasmės galvoti, kad šviesos dalelės turi požiūrio tašką arba ką nors „patirtų“.