Foton

Iz Wikipedije, proste enciklopedije

Foton
V koherentnem laserskem žarku izsevani fotoni
Sestava:	Elementarni delec
Družina:	Bozon
Skupina:	Umeritveni bozon
Interakcija:	Elektromagnetna
Predpostavil:	Albert Einstein (1905–17)
Simbol:	$\gamma\$ ali $\ h\nu$
Masa:	0
Električni naboj:	0
Spin:	1

Fotón je osnovni delec, energijski kvant kvantiziranega elektromagnetnega polja. Navadno ga označujemo s simbolom γ (grška črka gama); v fiziki visokih energij je navadno ta oznaka za fotone visokih energij (žarke gama), ki nastajajo npr. pri jedrskih razpadih, fotone nižjih energij (rentgenski žarki) pa označujejo s črko X.

Čeprav fotone pogosto povezujejo s svetlobo, velja ta povezava le za ozek pas vidnega dela spektra elektromagnetnega valovanja. Celo v tem delu pa svetlobo pogosto srečamo v kvantnih stanjih, ki niso čista, ampak superpozicije različnih kvantnih stanj. Superpozicije so lahko koherentne - pri tem gre za t. i. koherentno stanje, kot je denimo idealizirana laserska svetloba, ki jo seva idealni laser - ali pa kaotične - termično stanje, ki opisuje svetlobo v toplotnem ravnovesju - sevanje črnega telesa. Za sevanje fotonov v čistih stanjih so potrebni posebni aparati, imenovani mikromaserji. Ustrezna kvantna stanja opišemo s Fokovim stanjem in označimo z |n>, kar pomeni n fotonov v danem stanju elektromagnetnega polja. Če je polje multimodalno, lahko njegovo kvantno stanje opišemo kot tenzorski produkt posameznih fotonskih stanj, npr.

$|n_{k_0}\rangle\otimes|n_{k_1}\rangle\otimes\dots\otimes|n_{k_n}\rangle\dots$

pri čemer so k_i posamezni momenti stanja, n_ki pa število fotonov v tem stanju.

Fotoni lahko nastanejo na različne načine, vključno s sevanjem elektronov, ko ti prehajajo med različnimi energijskimi stanji ali orbitalami. Nastanejo lahko tudi pri jedrskih procesih, izničenju delcev in antidelcev ter kakršnemkoli nihanju elektromagnetnega polja.

V vakuumu se fotoni gibljejo s svetlobno hitrostjo c, ki je po definiciji enaka 299.792.458 m/s, oziroma približno 3·10⁸ m/s. Disperzijska zveza je linearna, sorazmernostna konstanta pa je Planckova konstanta h, kar da enostavni zvezi: E = h ν (pri tem je E energija fotona, ν pa frekvenca stanja ali fotonska frekvenca) ter p = h ν / c, pri čemer je p gibalna količina fotona. Fotoni so stabilni. Njihov spin je enak 1, zato jih uvrščamo med bozone. Spinu 1 načeloma ustrezajo tri projekcije: +1, 0 in -1, pri fotonih, ki se vedno gibljejo s hitrostjo svetlobe, pa srednja projekcija ni mogoča, ker zahteva opazovalni sistem, v katerem foton miruje. Ta po teoriji relativnosti ni mogoč. Fotoni imajo invariantno maso, enako nič, vendar pa imajo končno in od nič različno energijo pri hitrosti svetlobe. Kljub ničelni invariatni masi pa splošna teorija relativnosti napoveduje, da na fotone deluje gravitacija, kar je bilo tudi eksperimentalno potrjeno.

Povedano velja za prazen prostor. V snovi se fotoni sklopijo z vzbujenimi stanji sredstva in se obnašajo drugače. Ko se, denimo, sklopijo s fononi ali ekscitoni, nastanejo polaroni. Njihova disperzijska zveza ni več linearna, kar pomeni, da jim lahko pripišemo določeno efektivno maso. Zategadelj je njihova hitrost v snovi počasnejša od svetlobne hitrosti.

[uredi] Fiziološko zaznavanje svetlobe

Eno od pogostih vprašanj v fiziki je ali lahko človeško oko fiziološko zazna posamezen foton. Filtri živcev dovoljujejo, da pride signal do možganov le, če v času 100 m s dospe do mrežnice pet do devet fotonov. Drugače ima tak signal preveč svetlobnega »šuma«.