Foton
A foton az elektromágneses sugárzások, többek között a fény elemi részecskéje, legkisebb egysége, kvantuma. A modern fizika területén a foton az elektromágneses jelenségekért felelős elemi részecske. Az elektromágneses kölcsönhatás közvetítője és a fény és a többi elektromágneses hullám minden formájáért ez a részecske felelős. A fotonnak nulla az invariáns (nyugalmi) tömege és a c sebessége állandó, a vákuumbeli fénysebesség. Közegben látszólag lelassul, azonban ez csak az anyag részecskéiről való ide-oda verődés következménye, mivel így nagyobb utat kell megtennie egységnyi idő alatt. A visszaverődés mellett anyag jelenlétében el is nyelődhet, a frekvenciájával arányos energiát és lendületet közvetítve. Mint minden kvantum, a fotonnak is vannak hullám- és részecsketulajdonságai; teljesül rá a hullám-részecske kettősség.
A foton modern elméletét fokozatosan (1905–1917 között) fejlesztette ki Albert Einstein,[1][2][3][4] hogy olyan jelenségeket magyarázzon, amelyek nem illeszkednek a fény klasszikus hullámmodelljébe. A fotonmodell részben számot ad a fény energiájának frekvenciafüggéséről, és megmagyarázza, hogyan lehet termikus egyensúlyban az anyag és a sugárzás. Más fizikusok ezeket a megfigyeléseket félklasszikus modellekkel próbálták magyarázni, melyben a fényt továbbra is a Maxwell-egyenletek írják le, de az anyag – amely a fényt elnyeli és kibocsátja – kvantumos. Habár ezek a félklasszikus modellek hozzájárultak a kvantummechanika fejlődéséhez, a további kísérletek Einstein hipotézisét igazolták, hogy a fény maga kvantált; a fény kvantumai a fotonok.
A foton fogalma a kísérleti és elméleti fizika jelentős fejlődéséhez vezetett, mint például a lézerek, a Bose-Einstein kondenzáció, a kvantumtérelmélet és a kvantummechanika valószínűségi értelmezése. A részecskefizika standard modellje szerint a foton felelős mindenféle elektromos és mágneses mező létrehozásáért, és a tulajdonságai abból következnek, hogy a fizikai törvényeknek bizonyos szimmetriáknak kell, hogy eleget tegyen a téridő minden pontjában. A foton „belső” tulajdonságai – a töltés, tömeg és a spin – meghatározhatóak ilyen mértékszimmetriák tulajdonságaiból. A fotonnak számos technológiai alkalmazása van, mint a fotokémia, a nagy felbontású mikroszkópia és a molekuláris távolságok mérése. Újabban a fényt, mint a kvantumszámítógép elemét vizsgálják, valamint kifinomult alkalmazásait az optikai kommunikációban, mint például a kvantumkriptográfiát.
Fizikai tulajdonságai
[szerkesztés]A foton tömegtelen,[5] nincs elektromos töltése[6] és nem bomlik spontán módon az üres térben. Két lehetséges polarizációs állapota van, és három folytonos paraméterrel írható le: a hullámvektorának komponenseivel, amelyet meghatároz a
Mivel a foton tömeg nélküli, ezért c-vel (vákuumbeli fénysebességgel) mozog és az E energiája és a p impulzus vektor magnitúdója a következő összefüggésben vannak egymással: . Összehasonlításul a nyugalmi tömeggel rendelkező részecskék esetén: a speciális relativitáselmélet szerint.
A foton energiája és lendülete csak a frekvenciájától függ – vagy ha úgy tetszik a vele szorosan összefüggő hullámhosszától.
ennek következtében a lendület nagysága
ahol (amelyet Dirac-állandóként vagy redukált Planck-állandóként ismerünk); a hullámvektor (amelynek nagysága hullámszám) és a körfrekvencia. Jegyezzük meg, hogy a foton haladási irányába mutat. A fotonnak spinje is van, amely független a frekvenciájától. A spinjének nagysága és a mozgásirányába mért vetületének nagysága, azaz helicitása, . Ez a két lehetséges helicitás a foton két lehetséges cirkuláris polarizációjával (jobbos és balos) kapcsolatos.
Hogy lássunk egy példát az összefüggések alkalmazásra, egy részecske annihilációja az antirészecskéjével legalább két fotont kelt a következő okok miatt. A tömegközépponti rendszerben az ütköző részecskéknek nincsen lendületük, míg egyetlen fotonnak mindig van lendülete, tehát a lendületmegmaradás törvénye miatt szükséges, hogy legalább egy másik foton is keletkezzen, és így a lendületek vektori összege nulla legyen. A két foton energiája (vagy ami ugyanaz: a frekvenciája), megállapítható a négyesimpulzus megmaradásból.
Fotonok anyagban
[szerkesztés]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/11/RetinalCisandTrans.png/250px-RetinalCisandTrans.png)
A fény anyagban c-nél, a vákuumbeli fénysebességnél lassabban halad. Például a Nap magjában a fotonok olyan sokszor ütköznek, hogy a sugárzási energiának rengeteg évbe telik, míg a felszínre ér; mégis, ha a felszínre ér, csupán 8,3 percre van szüksége, hogy elérje a Földet. Az az arány, amivel a sebesség csökken, az anyag törésmutatója. A klasszikus hullámképben a lassulást lehet úgy magyarázni, hogy a fény elektromos polarizációt indukál az anyagban, és a polarizált anyag új fényt sugároz ki, amely interferál az eredetivel késleltetett hullámot hozva létre. Részecskeképben ehelyett a fotonok és az anyag kvantumgerjesztéseinek (kvázirészecskék, mint a fonon és az exciton) keveredéseiként, polaritonokként írható le; ez a polariton nem nulla effektív tömeggel rendelkezik, emiatt nem haladhat c sebességgel. A különböző frekvenciájú fény különböző sebességgel haladhat át az anyagon; ezt hívják diszperziónak.
A fotonokat elnyelhetik atommagok, atomok vagy molekulák más energiaszintre lépve át. Egy klasszikus példa erre a retinál (C20H28O, az ábrán) molekula fényelnyelése, amely a látásért felelős, ahogy ezt 1958-ban munkatársaival felfedezte a Nobel-díjas George Wald. Amint itt látható, az abszorpció egy cisz-transz izomerizációt hoz létre, mely hasonló átmenetekkel kombinálódva idegimpulzusokká alakul. A foton abszorpciója kémiai kötéseket is felbonthat, mint például a klór fotodisszociációja esetén; ez a fotokémia tárgya.
Virtuális fotonok
[szerkesztés]A valódi fotonok, éppúgy mint az elektronok és a protonok, végtelen hosszú ideig élnek, ha nem kerülnek kölcsönhatásba más részecskékkel. Az úgynevezett virtuális fotonok – melyek megjelenése a határozatlansági reláció eredménye – élettartama azonban nagyon rövid. Amikor két elektron kölcsönhat egymással, virtuális foton cserélődik ki közöttük. A folyamat igen gyorsan zajlik le. Az ilyen rövid ideig létező foton tömege a határozatlansági elv értelmében nem zérus, minél rövidebb az élettartama, annál nagyobb lehet ez a tömeg. A mai nagy gyorsítókkal a proton tömegének százszorosánál nagyobb tömegű virtuális fotont is sikerült előállítani.
Jegyzetek
[szerkesztés]- ↑ Einstein, A (1905). „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt (magyarul: A fény keletkezésének és átalakulásának heurisztikus modellje)”. Annalen der Physik 17, 132–148. o. (németül).
- ↑ Einstein, A (1909). „Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung (magyarul: A sugárzások összetételéről és lényegéről szóló nézeteink változása.)”. Physikalische Zeitschrift 10, 817–825. o. (németül).
- ↑ Einstein, A (1916a). „Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie”. Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft 18, 318. o. (németül)
- ↑ Einstein, A (1916b). „Zur Quantentheorie der Strahlung”. Mitteilungen der Physikalischen Geselschaft zu Zürich 16, 47. o. Also Physikalische Zeitschrift, 18, 121–128 (1917). (németül)
- ↑ A foton invariáns vagy nyugalmi tömegét pontosan nullának gondoljuk kísérleti és elméleti megfontolásokból. Az invariáns tömeg a megszokott tömeg a fizikusok között, bár ismeretterjesztő szakirodalmakban definiálnak relativisztikus, vagy mozgási tömeget is az E/c² képlettel, ahol E a foton energiája. Lásd a tömeg szócikket az invariáns és a relativisztikus tömeg közötti kapcsolat részletezéséhez.
- ↑ Kobychev, V V, Popov, S B (2005). „Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources”. Astronomy Letters 31, 147–151. o. DOI:10.1134/1.1883345.
További információk
[szerkesztés]A Wikimédia Commons tartalmaz Foton témájú kategóriát.