Kas ir fotons fizikā?

A fotons ir gaismas daļiņa, kas definēta kā diskrēts saišķis (vai kvantu) elektromagnētiskās (vai gaismas) enerģijas. Fotoni vienmēr ir kustībā, un vakuumā (pilnīgi tukša vieta) visiem novērotājiem ir nemainīgs gaismas ātrums. Fotoni pārvietojas vakuumā gaismas ātrums (parasti to sauc tikai par gaismas ātrumu) c = 2,998 x 10⁸ jaunkundze.

Saskaņā ar gaismas fotonu teoriju fotoni:

• uzvesties kā daļiņa un vilnis vienlaicīgi
• pārvietojieties nemainīgā stāvoklī ātrums, c = 2,9979 x 10⁸ m / s (t.i., "gaismas ātrums"), tukšā vietā
• ir nulles masa un atpūtas enerģija
• nes enerģiju un impulsu, kas arī ir saistīti ar frekvenci (nu) un viļņa garums (lamdba) elektromagnētiskā viļņa, kas izteikts ar vienādojumu E = h nu un lpp = h / lambda.
• var tikt iznīcināts / radīts, absorbējot / izstarojot starojumu.
• var būt daļiņām līdzīga mijiedarbība (t.i., sadursmes) ar elektroniem un citām daļiņām, piemēram, Komptona efekts kurā gaismas daļiņas saduras ar atomiem, izraisot elektronu izdalīšanos.

Terminu fotons izveidoja Gilberts Lūiss 1926. gadā, kaut arī gaismas jēdziens diskrētu daļiņu formā bija pastāvējis gadsimtiem ilgi un tika formalizēts Ņūtona optikas zinātnes konstruācijā.

Tomēr 1800. gados viļņu īpašības gaismas (ar ko ir domāts elektromagnētiskā radiācija kopumā) kļuva acīmredzami acīmredzams, un zinātnieki būtībā gaismas daļiņu teoriju bija izmetuši pa logu. Tas nebija līdz Alberts Einšteins paskaidroja fotoelektriskais efekts un saprata, ka gaismas enerģija ir jānosaka kvantitatīvi, lai daļiņu teorija atgrieztos.

Kā minēts iepriekš, gaismai ir gan viļņa, gan daļiņas īpašības. Tas bija pārsteidzošs atklājums, un tas noteikti ir ārpus tā, kā mēs parasti uztveram lietas. Biljarda bumbiņas darbojas kā daļiņas, bet okeāni darbojas kā viļņi. Fotoni visu laiku darbojas gan kā vilnis, gan kā daļiņa (kaut arī tā ir izplatīta, bet jāsaka, principā nepareiza ka tas ir "dažreiz vilnis un dažreiz daļiņa" atkarībā no tā, kuras pazīmes dotajā brīdī ir acīmredzamas laiks).

Tikai viena no tā sekām viļņu-daļiņu dualitāte (vai daļiņu viļņu divdabība) ir tas, ka, lai arī fotonus uzskata par daļiņām, var aprēķināt, ka tiem ir frekvence, viļņa garums, amplitūda un citas viļņu mehānikai raksturīgās īpašības.

Fotons ir elementārā daļiņa, neskatoties uz to, ka tam nav masas. Tas pats par sevi nevar sabrukt, kaut arī fotona enerģija var pāriet (vai tikt izveidota) mijiedarbībā ar citām daļiņām. Fotoni ir elektriski neitrāli un ir vienas no retajām daļiņām, kas ir identiskas to pretdaļiņām - antifotoniem.

Fotoni ir spin-1 daļiņas (padarot tos par bozoniem) ar griešanās asi, kas ir paralēla virzienam ceļojuma virziens (gan uz priekšu, gan atpakaļ, atkarībā no tā, vai tas ir "kreisais vai labais" fotons). Šī funkcija ļauj gaismas polarizācijai.