Foton je vrsta elementarne čestice koja čini osnovnu jedinicu elektromagnetskog zračenja, što uključuje radio valove, infracrveno, vidljivo svjetlo, ultraljubičasto, X-zrake i gama zrake. Fotoni nemaju masu, električni naboj i putuju brzinom svjetlosti. Za razliku od nekih čestica, poput protona i neutrona, ne smatra se da se sastoje od manjih komponenti. Oni pripadaju klasi čestica koje su odgovorne za temeljne sile prirode i nose elektromagnetsku silu. Prema teoriji kvantne elektrodinamike, način na koji se električno nabijene čestice ponašaju jedna prema drugoj može se opisati u terminima fotona.
Činilo se da su eksperimenti provedeni u 19. stoljeću dokazali da se svjetlost sastoji od valova. Međutim, početkom 20. stoljeća drugi eksperimenti su pokazali da se sastoji od čestica. Iako se čini kontradiktornim, svjetlost i drugi oblici elektromagnetskog zračenja zapravo se ponašaju kao oba oblika. Fotoni su čestice svjetlosti, ali imaju i valna svojstva, kao što su valna duljina i frekvencija.
Fotoni i materija
Materija može komunicirati s česticama svjetlosti na više načina. Elektron u atomu, na primjer, može apsorbirati foton, uzrokujući njegov skok na višu energetsku razinu. S vremenom se elektron može vratiti na nižu energetsku razinu, emitirajući dodatnu energiju kao foton. Oko je u stanju detektirati svjetlost jer određene molekule u mrežnici apsorbiraju energiju fotona unutar raspona frekvencija vidljivog svjetla. Ova energija se pretvara u električne impulse koji putuju duž optičkog živca u mozak.
U nekim slučajevima, elektroni mogu apsorbirati čestice ultraljubičastog svjetla relativno visoke energije, a zatim emitirati energiju kao fotone veće valne duljine vidljive svjetlosti, što je fenomen poznat kao fluorescencija. Molekule mogu apsorbirati energiju na infracrvenim frekvencijama, zbog čega se više kreću, što rezultira povećanjem temperature; to je razlog zašto se predmeti mogu grijati sunčevom svjetlošću ili električnim grijačem. Fotoni vrlo visoke energije, kao što su X-zrake i gama-zrake, mogu imati destruktivan učinak na materiju. Imaju dovoljno energije da uklone elektrone iz atoma, tvoreći pozitivno nabijene ione i razbiju kemijske veze. Ovi učinci uzrokuju kemijske promjene koje mogu biti vrlo štetne za žive organizme.
otkriće
Koncept i otkriće fotona usko su povezani s razvojem kvantne teorije. Oko 1900. teoretski fizičar Max Planck pronašao je rješenje za problem koji je mučio znanstvenike neko vrijeme, a koji uključuje frekvencije elektromagnetskog zračenja koje emitira objekt na različitim temperaturama. Predložio je da energija dolazi u malim, nedjeljivim jedinicama, koje je nazvao kvanti. Rad Alberta Einsteina o fotoelektričnom efektu 1905. pružio je snažne eksperimentalne dokaze da su kvanti stvarni. Međutim, tek 1926. godine pojam “foton” prvi je upotrijebio – kemičar Gilbert N. Lewis – za opisivanje kvanta svjetlosti.
Energija i frekvencija
Planck je pokazao kako je energija kvanta svjetlosti povezana s njegovom frekvencijom. Definirao je konstantu, poznatu kao Planckova konstanta, koja, kada se pomnoži s frekvencijom svjetlosnog kvanta, daje svoju energiju. Fotoni visoke frekvencije, kao što su fotoni X-zraka, stoga imaju više energije od fotona niskih frekvencija, kao što su radio valovi. Planckova konstanta je izuzetno mala; međutim, većina izvora svjetlosti proizvodi ogroman broj tih čestica, tako da ukupna energija može biti znatna.
Kvantna elektrodinamika
Kako se kvantna teorija razvijala, postalo je očito da sile prirode moraju na neki način nositi sredstva koja ne mogu putovati brže od svjetlosti i da se ti agensi moraju “kvantizirati”: mogu postojati samo kao višekratnici nedjeljivih jedinica. Odnos između svjetlosti, elektriciteta i magnetizma bio je jasan već u 19. stoljeću. U to vrijeme, međutim, pretpostavljalo se da se svjetlost i drugi oblici elektromagnetskog zračenja sastoje od valova. Nakon otkrića fotona, razvijena je nova teorija nazvana kvantna elektrodinamika, koja je objasnila kako fotoni nose elektromagnetsku silu.
Brzina svjetlosti
Fotoni uvijek putuju brzinom svjetlosti u vakuumu, što je otprilike 186,000 300,000 kilometara u sekundi. Prema Einsteinovoj teoriji specijalne relativnosti, nije moguće da bilo koji materijalni objekt postigne ovu brzinu, jer masa raste s brzinom, tako da je potrebno sve više energije za povećanje brzine. Fotoni putuju brzinom svjetlosti jer nemaju masu.
Svjetlost se može usporiti, na primjer, kada prolazi kroz staklo, ali pojedinačne svjetlosne čestice se ne usporavaju. Apsorbiraju ih atomi, koji privremeno dobivaju energiju, brzo je ponovno oslobađajući u obliku drugog fotona iste frekvencije. To se događa mnogo puta kada svjetlost prođe kroz staklo (ili neke druge tvari), a mala odgoda između apsorpcije i oslobađanja energije znači da je česticama potrebno više vremena da prođu nego što bi prošle kroz zrak ili vakuum. Svaki foton, međutim, uvijek putuje brzinom svjetlosti.
Specijalna teorija relativnosti pokazuje da putovanje brzinom bliskom svjetlosti ima neke čudne posljedice. Na primjer, vrijeme se usporava u odnosu na objekte koji se ne kreću, što je učinak poznat kao dilatacija vremena. Ako se astronaut ubrza od Zemlje do brzine malo ispod svjetlosti, a zatim se vrati godinu dana kasnije – prema svom kalendaru – može otkriti da je na Zemlji prošlo deset godina. Nije moguće da astronaut postigne brzinu svjetlosti, ali mnogi ljudi nagađaju o tome što dilatacija vremena znači za fotone. Prema specijalnoj relativnosti, vrijeme se mora potpuno zaustaviti.
Čovjek koji gleda u Andromedinu galaksiju, koja je udaljena 2.2 milijuna svjetlosnih godina, vidi fotone koji su – s njezine točke gledišta – putovali 2.2 milijuna svjetlosnih godina i za to im je trebalo 2.2 milijuna godina. Može se, međutim, reći da s gledišta fotona, putovanje uopće nije trajalo i da je prijeđena udaljenost zapravo nula. Budući da je svaka svjetlosna čestica “rođena” u zvijezdi i postoji sve dok ne udari u mrežnicu astronoma, također bi se moglo reći da foton sa vlastite točke gledišta postoji nulto vrijeme, pa stoga uopće ne postoji. Konsenzus među znanstvenicima je, međutim, da jednostavno nema smisla razmišljati o česticama svjetlosti kao da imaju točku gledišta ili da bilo što “doživljavaju”.