Co to jest foton?

Foton jest jedną z najpowszechniejszych cząsteczek jakie istnieją we wszechświecie. Po pierwsze, jest częścią rodziny bozonów. Nie ma zdolności wytwarzania materii, ale są odgrywają niezwykle ważną rolę w świecie fizyki i jest doskonałym nośnikiem interakcji. Jego najważniejszym zadaniem jest wypełnianie roli kwantów pola elektromagnetycznego. 

Każdy człowiek ma styczność ze zjawiskami, w których fotony odgrywają kluczową rolę. Dzieje się tak za każdym razem, gdy odbierane są fale radiowe, podczas pracy kuchenki mikrofalowej, przy badaniach odległych wybuchów promieni gamma lub po prostu podczas patrzenia na świat ludzkimi oczami. Każda fala elektromagnetyczna, w tym również wiązka światła, jest strumieniem fotonów, który przepływa przez przestrzeń. 

W jaki sposób powstaje i za co jest odpowiedzialny?

Foton powstaje głęboko w jądrze Słońca. W wyniku syntezy wodór zostaje przekształcony w hel, który wytwarza dużą ilość energii. Fotony, które powstają w środku Słońca są absorbowane przez pobliskie atomy, które emitują więcej atomów - w taki sposób energia zostaje przeniesiona na powierzchnię poza sferyczną powłoką Słońca. Proces ten jest nazywany remisją i może potrwać nawet kilka milionów lat.

Strumień fotonów, które przenoszą energię jest także falą promieniowania elektromagnetycznego lub światła. Życie na ziemi nie byłoby możliwe, gdyby nie było światła. Fotony są odpowiedzialne za wiele reakcji fizycznych i biologicznych, takich jak fotosynteza. Foton to cząstka elementarna wywodząca się z rodziny bozonów.

Cząstka, która nie ma masy

Bardzo ciekawą cechą kwantów światła, do których należą fotony, jest brak masy. Foton nie posiada masy spoczynkowej. Jest to jego cecha wyjątkowa, ponieważ niemalże każda inna znana ludzkości cząstka posiada określoną masę. Jedne mniejszą, inne nieco większą, ale w żadnym przypadku nie równa się ona zeru. Jedynym znanym wyjątkiem są gluony, które biorą udział w wiązaniu jąder atomowych (choć samodzielnie i tak nie są w stanie wiele zdziałać) oraz zdaniem teoretyków, wcześniej nieodkryty grawiton.

Brak masy tych cząsteczek jest zjawiskiem niezwykłym. Jeśli spojrzysz w niebo w nocy, z łatwością możesz dostrzec gwiazdy oddalone o tysiące lat świetlnych, a wśród nich krążące w różnych kierunkach bezmasowe fotony. Dzięki temu oddziaływanie elektromagnetyczne może działać w swobodny sposób w kosmicznej przestrzeni. Bozony W i Z, które są odpowiedzialne za bardzo ograniczone terytorialnie słabe oddziaływanie jądrowe, nie mają tyle szczęścia. 

Szybkość fotonu i czas jego istnienia

Od samego początku światło i jego nośniki były kluczowymi elementami w pomyśle Einsteina. Naukowiec w swoich młodzieńczych latach rozważał o ruchu fali świetlnej i znalazł ścieżkę, która doprowadziła do otwarcia nowego rozdziału fizyki.

Tutaj należy przypomnieć sobie dwie podstawowe koncepcje, które mają związek z teorią względności. Pierwszą z nich jest dylatacja czasu. Oznacza to, że dwóch obserwatorów, którzy poruszają się w stosunku siebie inaczej, doświadcza upływu czasu. Proton, który przyspieszył w tunelu Wielkiego Zderzacza Hadronów „starzeje się” znacznie wolniej niż fizycy, którzy go obserwują. Wiele cząstek elementarnych normalnie rozkłada się po milionowej części sekundy: z powodu dylatacji czasu ich żywotność jest wielokrotnie dłuższa. Drugim niezwykle ważnym aspektem jest kontrakacja, czyli skrócenie odległości. Foton postrzega ścieżkę akceleratora jako znacznie krótszą niż stojący obok niego naukowiec. 

Rozproszenie fotonów

Zjawisko to polega na rozpraszaniu krótkofalowego promieniowania elektromagnetycznego (promieni X lub γ) w postaci fotonów, które mają wysoką energię na swobodnych elektronach; Podczas zderzenia pojedynczego fotonu z elektronem przenoszona jest część energii i pędu fotonu do elektronu, co skutkuje wzrostem długości fali (zmniejszenie energii fotonu i zmiana jego kierunku).

Fotony przejawiają zachowania podobne do cząstek podczas interakcji, a utworzone układy foton-elektron zachowują pęd i energię w sytuacji zderzeń. Fotony (kwant promieniowania elektromagnetycznego) mogą poruszać się z prędkością bezwzględną, tj. przy prędkości światła w próżni (c = 3,10 m / s).

Inne zjawiska z udziałem fotonów

Wówczas, gdy fotony zostaną pochłonięte przez atom lub cząsteczkę mogą zajść następujące zjawiska:

- Fluorescencja - zjawisko polegające na emisji światła przez wzbudzony atom lub cząsteczkę, gdy elektron przechodzi ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, część energii jest dystrybuowana w postaci fali promieniowania (światła) o fali, która jest dłuższa niż fala pochłoniętego światła; Pozostawienie atomu lub cząsteczki przez wzbudzony elektron i przyciągnięcie go przez cząsteczkę akceptora elektronów (np. podczas fotosyntezy);

- Zjawisko fotoelektryczne lub fotoefekt jądrowy - zjawisko, które polega na emitowaniu elektronów z powierzchni obiektu. Odkrycie efektu fotoelektrycznego ma związek z rozwojem teorii dualizmu świetlnego fal ciałek. Wyjaśnienie i opis tego zjawiska Alberta Einsteina jest oparte na założeniu, że energia fali świetlnej w postaci kwantów świetlnych (zwanych fotonami) jest pochłaniana przez energię hν.