foton

Foton — cząstka elementarna nie posiadająca ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o zerowej masie spoczynkowej (m₀=0) i liczbie spinowej (s) o wartości równej 1. Foton jest nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych, stanowi kwant energii promieniowania elektromagnetycznego, np. światła widzialnego. Wykazuje dualizm korpuskularno-falowy (posiada równocześnie właściwości cząstki i fali elektromagnetycznej).

Energia niesiona przez światło jest kwantowana, czyli przesyłana w kwantach energii, zwanych fotonami. Energia pojedynczego fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości światła i wyraża się wzorem:

gdzie:
h – stała Plancka (h=6,63·10-34J·s)
ν – częstotliwość fali świetlnej

Częstotliwość fali świetlnej jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości:

gdzie:
c – prędkość światła w próżni (c = 3·108m/s)
λ – długość fali świetlnej

Fotonom o różnych energiach odpowiadają różne długości fal promieniowania elektromagnetycznego. Energia fotonów zmienia się w zależności od długości fal świetlnych, krótsza fala niesie więcej energii, a dłuższa fala mniej energii. Energia fotonu jest więc odwrotnie proporcjonalna do długości fali świetlnej.

gdzie:
c – prędkość światła w próżni,
λ – długość fali

Zależnie od energii promieniowania elektromagnetycznego i sposobu jego powstawania rozróżnia się fotony (rozpoczynając od najwyższej energii fotonu):

• promieniowania gamma (γ),
• promieni X (rentgenowskich),
• nadfioletu,
• światła widzialnego,
• podczerwieni,
• mikrofali,
• promieniowania radiowego (fale radiowe).

Wszystkie rodzaje promieniowania mają jednakową naturę z fizycznego punktu widzenia.

Fotony powstają:

• podczas przejścia danego układu, np. atomu lub jądra atomowego ze stanu wzbudzonego do stanu o niższej energii,
• podczas zmiany pędu cząstki naładowanej (tzw. promieniowanie hamowania),
• w wyniku anihilacji par elektron-pozyton – oddziaływania cząstki z odpowiadającą jej antycząstką, podczas którego cząstka i antycząstka zostają zamienione w dwa fotony o energii równoważnej ich masom; zachodzi proces zamiany materii na promieniowanie elektromagnetyczne.

• fluorescencję – zjawisko emitowania światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę, przy przejściu elektronu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego część energii zostaje rozproszona w postaci fali promieniowania (światła) o dłuższej fali niż fala światła pochłoniętego;
• opuszczenie atomu lub cząsteczki przez wzbudzony elektron i przyjęcie go przez cząsteczkę akceptora elektronów (np. w procesie fotosyntezy</a>);
• zjawisko fotoelektryczne lub fotoefekt jądrowy – zjawisko polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu.

Odkrycie efektu fotoelektrycznego przyczyniło się do rozwoju teorii dualizmu korpuskularno-falowego światła. Wyjaśnienie i opis tego zjawiska przedstawione przez Alberta Einsteina oparte jest na założeniu, że energia fali świetlnej pochłaniana jest w postaci kwantów światła (zwanych fotonami) o energii równej hν. Usunięcie elektronów z powierzchni przedmiotu (metalu lub substancji) wymaga wykonania pracy, zwanej pracą wyjścia, a pozostała energii jest unoszona przez emitowany elektron.

Zależność tą można przedstawić wzorem:

gdzie:
h – stała Plancka (h=6,63·10-34J·s)
ν – częstotliwość fali świetlnej
W – praca wyjścia
Eₖ – maksymalna energia kinetyczna emitowanych elektronów

Maksymalna energia emitowanych elektronów (fotoelektronów) zależy jedynie od częstotliwości fali świetlnej, elektrony mogą zostać wybite z płytki metalowej przez oświetlanie jej światłem o odpowiednio wysokiej częstotliwości, poniżej tej częstotliwości efekt fotoelektryczny nie zachodzi.

Badania Einsteina prowadzone były niezależnie od badań Plancka nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego. Próby teoretycznego wyjaśnienia tego zjawiska w zależności od częstotliwości promieniowania doprowadziły do sformułowania pojęcia kwantu energii promieniowania.

1. Rozproszenie fotonów (zjawisko Comptona, rozpraszanie comptonowskie) – polegające na rozpraszaniu krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego (rentgenowskiego lub γ) w postaci wysokoenergetycznych fotonów na swobodnych elektronach;

W wyniku zderzenia pojedynczego fotonu z elektronem część energii oraz pędu fotonu zostaje przekazana elektronowi, co powoduje zwiększenie się długości fali (zmniejszenie energii fotonu i zmiana jego kierunku). Fotony podczas oddziaływań zachowują się jak cząstki, a powstałe układy foton-elektron w zderzeniach zachowują pęd i energię.

Fotony (kwanty promieniowania elektromagnetycznego) mogą poruszać się z prędkością absolutną, czyli prędkością światła w próżni (c = 3·108m/s). Mimo tego, że fotony charakteryzują się zerową masą spoczynkową, posiadają pęd, który wynosi:

gdzie:
h – stała Plancka (h=6,63·10-34J·s),
λ – długość fali świetlnej

Po wyjaśnieniu kwantowej natury zjawiska fotoelektrycznego był to kolejny dowód na istnienie fotonów. Za odkrycie tego zjawiska A.H. Compton otrzymał w 1927 r. Nagrodę Nobla.

2. Odwrotne zjawisko Comptona (odwrotne rozpraszanie Comptona) – rozpraszanie promieniowania elektromagnetycznego na elektronach relatywistycznych (tzn. o prędkościach bliskich prędkości światła w próżni), polega na zderzeniu elektronu o wysokiej energii z fotonem o niskiej energii, co skutkuje zwiększeniem się energii fotonu); jeden z procesów prowadzących do powstawania promieniowania X (rentgenowskiego) i gamma (γ) np. po wybuchach supernowych.