Fotoni

Wikipedia

Fotoni eli valokvantti on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen (mittabosoni). Tyhjiössä fotoni kulkee vakionopeudella c eli 299 792 458 m/s, eli noin 300 000 km sekunnissa. Fotonin massa ja sähkövaraus on nolla. Materian kohdatessaan fotoni hidastuu tai absorboituu, jolloin se siirtää energiaa ja liikemäärää suhteessa taajuuteensa. Fotoneilla on sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia.

Modernin fotonin mallin kehitti Albert Einstein vuosien 1905 ja 1917 välillä selittämään kokeiden tuloksia, jotka eivät käyneet yhteen perinteisen valon aaltomallin kanssa. Erityisesti fotoniteoria sisälsi energian riippuvuuden valon aallonpituudesta ja selitti aineen ja säteilyn kyvyn olla termodynaamisessa tasapainossa. Muut fyysikot yrittivät selittää näitä puoliklassisilla malleilla, joissa valoa kuvattiin edelleen Maxwellin yhtälöillä, mutta valoa emittoivat tai absorboivat esineet oli kvantisoitu. Vaikka puoliklassiset mallit edistivät kvanttimekaniikan kehitystä, kokeet osoittivat todeksi Einsteinin hypoteesin valon hiukkasluonteesta.

Fotoniteorian keksiminen mahdollisti teoreettisen ja kokeellisen fysiikan edistysaskeleet kuten laserin, Bose–Einstein –kondensaatin, kvanttikenttäteorian ja kvanttimekaniikan todennäköisyystulkinnan. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan fotonit tuottavat kaikki sähkö- ja magneettikentät ja ovat itse tulosta avaruusajan symmetrian vaatimuksesta. Fotonien ominaisuudet – varauksen, massan ja spinin – määrittää mittasymmetria.

[muokkaa] Nimestä ja merkinnöistä

Fotonin alkuperäinen nimi oli Einsteinin tekstissä valokvantti (das Lichtquant). Nykyinen termi 'fotoni' tulee kreikan kielen valoa tarkoittavasta sanasta φῶς. Sen otti käyttöön 1926 kemisti Gilbert N. Lewis, joka julkaisi spekulatiivisen teorian, jonka mukaan fotonit olivat tuhoutumattomia ja niitä ei ollut mahdollista luoda. Lewisin teoriaa ei hyväksytty, ja se oli ristiriidassa havaintojen kanssa, mutta uusi termi otettiin lähes välittömästi käyttöön.

Fysiikassa fotonia merkitään kreikkalaisella gamma-kirjaimella γ. Symboli on todennäköisesti peräisin gammasäteilystä, jonka havaitsi ja nimesi vuonna 1900 Paul Ulrich Villard ja osoittivat valon muodoksi 1914 Ernest Rutherford ja Edward Andrade. Kemiassa ja optiikassa fotoneja merkitään usein , joka merkitsee fotonin energiaa. Tässä on Planckin vakio ja nyy fotonin taajuus.

[muokkaa] Fysikaaliset ominaisuudet

Fotoni on massaton, sillä ei ole sähkövarausta, eikä se hajoa spontaanisti. Fotonilla on kaksi mahdollista polarisaatiotilaa ja sitä kuvataan kolmella parametrillä: aaltovektorilla, joka määrittää aallonpituuden , ja kulkusuunnalla. Fotoneja syntyy luonnossa monissa prosesseissa: esimerkiksi kun sähkövarausta kiihdytetään, atomi tai ydin putoaa matalammalle energiatilalle, tai kun hiukkanen ja antihiukkanen annihiloituvat. Fotoneja absorboituu noiden ilmiöiden T-käänteisissä tapahtumissa, esimerkiksi hiukkas–antihiukkasparin syntyessä tai atomin tai hiukkasen siirtyessä korkeampaan energiatilaan.

Koska fotoni on massaton, se liikkuu tyhjiössä nopeudella ja sen energia ja liikemäärä ovat suhteessa . Vertailun vuoksi lepomassallisilla hiukkasilla suhde on erityisen suhteellisuusteorian mukaan .

Fotonin energia ja liikemäärä riippuvat vain taajuudesta tai yhtäpitävästi aallonpituudesta .

Tästä seuraa että:

,

jossa on Diracin vakio, aaltovektori (jonka aaltoluku on ) ja kulmataajuus. osoittaa fotonin etenemissuuntaan.

Fotoni kantaa myös spin-impulssimomenttia, joka ei riipu sen taajuudesta. Spinin itseisarvo on ja aaltovektorin suuntainen komponentti . Tämä vastaa fotonin kahta mahdollista polarisaatiotilaa.

Tämän merkitys on, että hiukkasen ja sen antihiukkasen annihiloituessa täytyy syntyä ainakin kaksi fotonia: törmäävillä hiukkasilla ei ole liikemäärää, kun taas fotonilla on. Täten liikemäärän säilymislain mukaan kahden syntyvän fotonin liikemäärän täytyy olla nolla.

Klassisen teorian sähkömagneettisen säteilyn energia ja liikemäärä voidaan ilmaista fotonien muodossa: esimerkiksi säteilypaine johtuu fotonien liikemäärän sitoutumisesta kohteeseen.

[muokkaa] Säteilyn ja aineen vuorovaikutus

Emissio: Kun atomin energiatila muuttuu, saattaa vapautuva energia emittoitua yhtenä fotonina. Valoemissio on mahdollinen myös kun vapaan elektronin energia muuttuu kiteen energiavyön sisällä. Sähkömagneettinen aalto emittoituu aina kun sähkövaraus on kiihtyvässä liikkeessä.

Absorptio: Kun fotoni törmää atomiin, se saattaa siirtää energiansa atomille, joka virittyy. Prosessi on mahdollinen vain, jos atomissa on tilojen energiaero, joka on sama kuin fotonin energia. Fotonin absorptiossa on kaiken energian siirryttävä tai prosessia ei tapahdu; fotoni ei siis voi absorboitua osittain.

Heijastuminen: Jos valo lähetetään kohti tasoa, osa siitä heijastuu takaisin. Tasoon tulevan ja tasosta heijastuvan valon kulma on tason normaaliin nähden sama.

Taittuminen: Kun valonsäde siirtyy väliaineesta toiseen, sen kulkusuunta muuttuu, ellei tulosuunta ole pinnan normaalin suuntainen.

Fotonin energian ja sähkömagneettisen säteilyn taajuuden yhdistää yhtälö E = hf, jossa E on yksittäisen fotonin energia, h on Planckin vakio ja f säteilyn taajuus.