Osztályozás | Boson |
---|---|
Fogalmazás | Alapvető |
Csoport | Gauge boson |
Szimbólum | ɣ |
Tömeg |
0 (elméleti) <10 −54 kg (<~ 5 × 10 −19 eV / c 2 ) (kísérleti) |
---|---|
Elektromos töltő |
0 (elméleti) <1 × 10 −35 e (kísérleti) |
Spin | 1 |
Élettartam |
Stabil (elméleti) Nem alkalmazható > 1 × 10 18 év (kísérleti) |
Jóslás | Albert Einstein , 1905-1917 |
---|---|
Felfedezés | Arthur Compton , 1923 |
A foton a kvantum az energia társított elektromágneses hullámok (kezdve rádióhullámok , hogy gamma-sugarak , hogy a látható fény ), amely mutat bizonyos jellemzői egy elemi részecske . A kvantumtérelméletben a foton az elektromágneses interakció közvetítő részecskéje . Más szavakkal, amikor két elektromosan töltött részecskék kölcsönhatásba, ez a kölcsönhatás fordítja egy kvantum szempontból , mint egy csere a fotonok.
Az ötlet egy számszerűsítése energia által hordozott fény által kifejlesztett Albert Einstein a 1905 , a vizsgálat a fekete test sugárzás által Max Planck , hogy ismertesse a fotoelektromos hatás , amely nem tartalmazza a keretet egy klasszikus hullám modell a fény, hanem a statisztikai fizika és a hullámfizika elméleti következetessége érdekében is. A Compton-effektus 1923-as felfedezése, amely a részecske tulajdonságait is megadja a fénynek, valamint a kvantummechanika és a hullám-részecske kettősség megjelenése arra késztette, hogy ezt a kvantumot részecskének tekintsék, amelyet 1926-ban fotonnak neveztek el.
A fotonok az elemi energia „csomagjai”, vagy az elektromágneses sugárzás kvantumai , amelyek az anyag fényelnyelése vagy -kibocsátása során kicserélődnek. Ezenkívül a monokromatikus elektromágneses hullám energiája és lendülete ( sugárzási nyomása ) a fotonéinak egész számát jelenti.
A foton koncepciója jelentős előrelépéseket eredményezett a kísérleti és elméleti fizikában, mint például a lézerek , a Bose-Einstein kondenzátumok , a kvantumoptika , a kvantumtér-elmélet és a kvantummechanika valószínűségi értelmezése . A foton egy 1-vel egyenlő spin- részecske, ezért bozon , tömege nulla vagy mindenképpen kisebb, mint körülbelül 5 × 10 -19 meV / .
A látható fény foton energiája 2 eV nagyságrendű , ami rendkívül alacsony: egyetlen foton láthatatlan az állat szeme számára, és a szokásos sugárforrások ( antennák , lámpák , lézerek stb.) Nagyon nagy mennyiségű foton, ami megmagyarázza, hogy a fényenergia "szemcsés" jellege miért elhanyagolható sok fizika által vizsgált helyzetben. Ugyanakkor lehetséges a fotonok egyesével történő előállítása a következő eljárásokkal:
A "foton" hímnemű főnév ( ejtsd: [fɔtɔ] a szokásos francia ) van származik a „ fotó- ” a utótag „ -on ”. Az alap „fotó-” az ókori görög φῶς , φωτός ( phôs, phōtós ) szóból származik, ami „fényt” jelent. Az utótag „-on” vették át a befejező az „ elektron ”. A "foton" a fényt és a kapcsolódó energiát hordozó részecskéket jelöli. Amint azt Albert Einstein of1905, a fény és az anyag közötti mennyiségi energiacserét eredetileg az "energia kvantuma" ( Energiequantum ) vagy a "világító kvantum" ( Lichtquant ) jelölte . A "foton" kifejezés első nyomát itt találjuk1916Leonard T. Troland amerikai pszichológus és pszichofiziológus javaslatában (1889-1932), hogy kijelölje a később trolandnak vagy luxonnak nevezett egységet. Ezt a kifejezést a vizuális észlelés fiziológiájával kapcsolatos tanulmányok keretében használták: John Joly (1857-1933) Így használt neve foton a1921, a retinától az agyig tartó elemi ingernek megfelelő energia kijelölésére. René Wurmser biokémikus (1890-1993) is használta a kifejezést. Frithiof (Fred) Wolfers (-) vette át egyszer1971) Aimé Cotton által a Tudományos Akadémiának 1926. július 26-án bemutatott feljegyzésben egy megvilágított, átlátszatlan tárgy árnyékának rojtos széleiről készített tanulmányában. Gilbert N. Lewis vegyész (1875-1946) 1926. december 18-án megjelent, a természetnek írt levelében . Ebben az időben a " foton " kifejezést széles körben átvette a tudományos közösség.
A részecske- és a nagy energiájú fizikában egy fotont általában szimbólum (görög gamma betű ) képvisel, Paul Villard által 1900-ban felfedezett gammasugarakkal kapcsolatban . 1914-ben Rutherford és Edward Andrade bebizonyította, hogy ezek a gammasugarak valóban elektromágneses sugárzások voltak, mint a fény.
A történelem során a fény leírása kíváncsi inga lengést követett a korpuszkuláris látás és a hullámlátás között. A legtöbb elméletben a XVIII . Századig úgy gondolják, hogy a fény részecskékből áll. Habár a hullámmodelleket javasolja René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) és Christian Huygens (1678), a részecskemodellek továbbra is meghatározóak, részben Isaac Newton hatása miatt . A változás paradigma között kerül sor a bemutató a jelenségek interferencia és diffrakciós fény által Thomas Young és Augustin Fresnel elején a XIX E században, 1850 a hullám modell lesz a szabály a következő kísérlet által végzett Léon Foucault a fény terjedésének sebességéről. Maxwell 1865-ben tett jóslata , miszerint a fény elektromágneses hullám, majd Hertz 1888-ban kísérleti megerősítést kapott, a test testelméleteinek kiütéses csapásnak tűnik.
A hullám elmélet Maxwell nem veszi figyelembe az összes tulajdonságait a fény. Ez az elmélet azt jósolja, hogy egy fényhullám energiája csak a hullám amplitúdójától függ, de nem a frekvenciájától; sok kísérlet azonban azt jelzi, hogy a fénytől az atomok felé átvitt energia csak a frekvenciától és nem az amplitúdótól függ. Például bizonyos kémiai reakciók csak megfelelő frekvenciájú fényhullám jelenlétében lehetségesek: küszöbérték alatti frekvencia alatt, függetlenül a beesés intenzitásától, a fény nem tudja elindítani a reakciót. Hasonlóképpen, a fotoelektromos hatásban az elektronokat csak egy fémlemezről dobják ki egy bizonyos frekvencia felett, és a kibocsátott elektronok energiája a hullám frekvenciájától függ, és nem annak amplitúdójától. Hasonlóképpen, a kapott eredmények végén XIX th és a korai XX th században a sugárzás a feketetest elméletileg által reprodukált Max Planck 1900-ban, feltételezve, hogy az anyag együttműködik az elektromágneses hullám frekvencia csak fogadni, vagy bocsátanak ki elektromágneses energiát a csomagok jól meghatározott értékű - ezeket a csomagokat hívott kvantum .
Mivel Maxwell-egyenletek megengedik az elektromágneses energia bármilyen értékét , a legtöbb fizikus kezdetben úgy vélte, hogy a kicserélt energia ezen kvantálása a fényt elnyelő vagy kibocsátó anyag eddig ismeretlen korlátozásainak volt köszönhető . 1905-ben Einstein elsőként javasolta, hogy az energia számszerűsítése maga a fény tulajdonsága . Noha nem kérdőjelezi meg Maxwell elméletének érvényességét, Einstein azt mutatja, hogy Planck törvénye és a fotoelektromos hatás megmagyarázható, ha az elektromágneses hullám energiája egymástól függetlenül mozgó pontkvantumokban lokalizálódott, még akkor is, ha magát a hullámot folyamatosan kiterjesztették űrben. Cikkében Einstein azt jósolja, hogy a fotoelektromos hatás során kibocsátott elektronok energiája lineárisan függ a hullám frekvenciájától. Ezt az erős jóslatot Robert Andrews Millikan kísérletileg megerősítette 1916-ban, amely - a töltéses cseppekkel végzett kísérletei mellett - az 1923-as Nobel-díjat is megkapta. 1909-ben és 1916-ban Einstein megmutatta, hogy ha Planck fekete testének sugárzási törvénye pontos, az energia kvantumoknak impulzust is kell hordozniuk , amely teljes értékű részecskékké teszi őket . A fotonimpulzust kísérletileg Arthur Compton mutatta be , aki 1927-es Nobel-díjat kapott.
A XX . Század elején azonban a fotonkoncepció továbbra is ellentmondásos, elsősorban azért, mert nincs formalizmus a hullámjelenségek és az újonnan felfedezett korpuszkuláris jelenségek összekapcsolására. Tehát 1913-ban az Einstein porosz tudományos akadémiához való felvételét támogató ajánlólevélben Planck ezt írta:
"Nem szabad túlságosan tartanunk ellene, hogy spekulációiban időnként túlléphette célját, mint a fénykvantusok hipotézisével. "
A fény kvantált természetét bemutató számos hatás valójában egy félklasszikus elmélettel is magyarázható, amelyben az anyag kvantált, de a fény klasszikus elektromágneses térnek számít. Az így megmagyarázható jelenségek közül például megemlíthetjük a fotoelektromos hatás küszöbének létezését, a kibocsátott elektron energiájának és a hullám frekvenciájának kapcsolatát, a fotoelektronok csoportosítását egy interferométerben Hanbury Brown és Twiss, valamint a számlák Poissonian Statisztikája. A közhiedelemmel ellentétben a fotoelektromos effektus tehát nem a foton létezésének abszolút bizonyítéka (bár a fotoelektromos effektus egyes kísérletei azonban nem magyarázhatók félklasszikus elmélettel).
Compton kísérlete kézzelfoghatóbb létet ad a fotonnak, mivel ez azt mutatja, hogy az elektronok röntgensugarakkal történő diffúziója jól magyarázható azáltal, hogy a fotonnak tulajdonítják az Einstein által megjósolt szöget. Ez a kísérlet döntő szakaszt jelent, amely után a fénykvantumok hipotézise elnyeri a fizikusok többségének támogatását. Az elektromágneses energia folyamatos variációjának megmentése és a kísérletekkel való összeegyeztethetőség érdekében Bohr, Kramers és Slater két drasztikus feltételezésen alapuló modellt dolgoznak ki:
A pontosabb Compton-szórási kísérletek azonban azt mutatják, hogy az energia és a lendület rendkívüli módon konzerválódik az elemi folyamatok során, és az elektron visszahúzódása és egy új foton keletkezése a Compton-szórás során 10ps-en belül engedelmeskedik az oksági összefüggéseknek. Ennek eredményeként Bohr és munkatársai „minél megtisztelőbb temetést tartanak” modelljüknek . Elméleti fronton a PAM Dirac által feltalált kvantumelektrodinamikával a sugárzás - és az elektronok - teljes elméletét sikerül megadni a hullám-részecske kettősség magyarázatával . Azóta és különösen a lézer találmányának köszönhetően a kísérletek egyre inkább megerősítik a foton létezését és a félklasszikus elméletek kudarcát. Különösen lehetővé vált a foton jelenlétének mérése anélkül, hogy abszorbeálta volna, így közvetlenül demonstrálva az elektromágneses tér kvantálását, így Einstein jóslata bizonyítottnak tekinthető .
A foton fogalmával kapcsolatban odaítélt Nobel-díjak :
A fotonnak nincs elektromos töltése , pontosabban a kísérletek kompatibilisek 1 × 10 −35 e- nél kisebb elektromos töltéssel (régi maximális becslések: 5 × 10 −30 e). A fotonnak két lehetséges polarizációs állapota van, és három folyamatos paraméter írja le: hullámvektorának azon komponensei , amelyek meghatározzák a λ hullámhosszat és a terjedési irányát. A fotonokat számos folyamat bocsátja ki, például amikor egy töltés felgyorsul, amikor egy atom vagy egy mag magas energiaszintről egy alacsonyabb szintre ugrik , vagy ha egy részecske és annak részecske megsemmisül. A fotonok abszorbeálódnak a fordított folyamatban, például egy részecske és annak antirészecskéjének előállításában, vagy atom- és nukleáris átmenetekben a magas energiaszintre.
A fotonfluxus képes módosítani az anyagi tárgyak sebességét (részecskék, atomok, molekulák gyorsulása, ...). A lendület megőrzése azt jelenti, hogy a fotonnak nem null lendülete van .
A foton azonban tömegtelen . A kísérletek kompatibilisek kisebb tömegű, mint 10 -54 kg , azaz 5 × 10 -19 eV / c 2 (a korábbi becslések elhelyezett felső határ 6 × 10 -17 eV / c 2 és 1 × 10 -18 eV / c 2 ); általában azt feltételezik, hogy a foton tömege nulla.
A lendület klasszikus meghatározása (a tömeg szorzatának sebesség-szorzata) ellentmondáshoz vezethet. A magyarázat az, hogy a relativisztikus keretek között a konzerváltság már nem szigorúan külön-külön az energia és a lendület külön-külön szólva, hanem egy elvontabb objektum, amely ezeket ötvözi, a quadri-momentum . A speciális relativitáselmélet, azt bemutatva, hogy a kapcsolat a energia , a lendület és a tömeg egy részecske van írva: (ahol c a fény sebessége vákuumban). Tehát egy nulla tömegű (tehát az összes referenciakeretben sebességgel rendelkező) foton esetében egyszerű összefüggésünk van: E = c • p (ráadásul bármely tömeg nélküli részecskére érvényes); a lendület p így meghatározott (és egyenlő , ahol a Planck-állandó , és a frekvencia az elektromágneses sugárzás) hasonlóan viselkedik klasszikus lendület, például a számítás a sugárzási nyomás . Ennek a számításnak (és annak következményeire a foton hullámhosszának rugalmatlan ütközés során bekövetkező változásaira) részletesebb elemzése a Compton szórás című cikkben található .
A fotonnak van egy spinje is, amely független a frekvenciájától, és amely egyenlő 1-vel, amely eleve három értéket enged meg a vetítéséhez: -1, 0 és 1. A 0 értéket azonban a kvantumtérelmélet tiltja , a foton nulla tömege miatt. A forgás amplitúdója és a terjedés irányában mért komponens, az úgynevezett helicitás legyen . A két lehetséges helicitás megfelel a foton körkörös polarizációjának két lehetséges állapotának (az óramutató járásával megegyező és az óramutató járásával ellentétes irányban). A klasszikus elektromágnesességhez hasonlóan a lineáris polarizáció két ellentétes spirális állapotú szuperpozíciónak felel meg.
A fotont a következők jellemezhetik:
Megtaláljuk az energiát is csökkentve és kifejezve , kifejezve és kifejezve vagy dimenzió nélkül .
Az első képünk a fotonról a „fénygömb”, a fény olyan szemcsékből állna, amelyek 299 792 458 m / s ( fénysebesség ) sebességgel haladnak .
Ebben a modellben egy adott fényáram gömbökre bomlik, amelyek energiája a λ hullámhossztól függ és egyenlő h-val . c / λ . Így egy monokromatikus fénynél (vagyis annak spektruma egyetlen hullámhosszra csökken) az energiaáramlás sok "puha" gömbből áll, ha a hullámhossz nagy. (A piros oldalon), vagy kevés "kemény" fényből gyöngyök, ha a hullámhossz kicsi (a kék oldalon) - a "puha" és "kemény" minősítők az általuk tartalmazott elektromágneses energia mennyiségére vonatkoznak .
Ha a fény több hullámhosszból áll, akkor az energiaáramlás változó "keménységű" gyöngyökből áll.
Ez a jelenlegi szabványok szerint leegyszerűsített nézet nem teszi lehetővé a fény összes tulajdonságának helyes magyarázatát.
A foton az elektromágneses sugárzás és az anyag kölcsönhatásainak elmagyarázására szolgál. Ami a többi elemi részecskét illeti , van benne hullám-részecske kettősség . A fotonról mint részecskéről csak az interakció pillanatában beszélhetünk. Minden kölcsönhatáson kívül nem tudjuk - és nem is tudjuk -, hogy ennek a sugárzásnak mi a „formája”. Intuitív módon el tudjuk képzelni a fotont e kettősség keretein belül, mint olyan pontkoncentrációt, amely csak az interakció idején alakul ki, majd szétterül, és egy másik interakció idején újra megreformálódik. Ezért nem beszélhetünk a foton "lokalizációjáról" vagy "pályájáról", annál inkább beszélhetünk egy hullám "lokalizációjáról" vagy "pályájáról".
Valójában a fotont csak kvantumrészecskének tekinthetjük, vagyis egy matematikai objektumnak, amelyet hullámfüggvénye határoz meg, amely megadja a jelenlét valószínűségét. Általában hullámcsomag alakú lesz. Ez a hullámfüggvény és a klasszikus elektromágneses hullám szoros kapcsolatot tart fenn, de nem egyesülnek.
Tehát az elektromágneses hullámnak, vagyis az elektromos mező és a mágneses tér értékének a hely és a pillanat ( és ) függvényében két jelentése van: