Föreställ dig en axel med gult solljus som strålar genom ett fönster. Enligt kvantfysik är strålen gjord av zillioner av små ljuspaket, kallade fotoner, som strömmar genom luften. Men vad exakt är en foton?

fotoner är stuff light är gjord av. Kredit: JFC.

Definition

en foton är den minsta diskreta mängden eller kvantum av elektromagnetisk strålning., Det är den grundläggande enheten för allt ljus.

fotoner är alltid i rörelse och i vakuum färdas med konstant hastighet till alla observatörer på 2,998 x 108 m/s. detta kallas vanligen ljusets hastighet, betecknad med bokstaven c.

enligt Einsteins lätta kvantteori har fotoner energi som är lika med deras oscillationsfrekvenstider Plancks konstant. Einstein visade att ljus är ett flöde av fotoner, energin hos dessa fotoner är höjden på deras oscillationsfrekvens och ljusets intensitet motsvarar antalet fotoner., I huvudsak förklarade han hur en ström av fotoner kan fungera både som en våg och partikel.

Photon egenskaper

de grundläggande egenskaperna hos fotoner är:

  • de har noll massa och vila energi. De finns bara som rörliga partiklar.
  • de är elementära partiklar trots att de saknar restmassa.
  • de har ingen elektrisk laddning.
  • de är stabila.
  • de är spin-1 partiklar som gör dem bosons.
  • de bär energi och momentum som är beroende av frekvensen.,
  • de kan ha interaktioner med andra partiklar som elektroner, såsom Compton-effekten.
  • de kan förstöras eller skapas av många naturliga processer, till exempel när strålning absorberas eller släpps ut.
  • när de är i tomt utrymme reser de med ljusets hastighet.

historia

ljusets natur — oavsett om du betraktar det som en partikel eller en våg — var en av de största vetenskapliga debatterna. I århundraden har filosofer och forskare argumenterat för den fråga som knappt löstes för ett sekel sedan.,

lärjungarna i ett sjätte århundradet f.Kr. gren av hinduisk filosofi som heter Vaisheshika hade en överraskande fysisk intuition om ljus. Liksom de gamla grekerna brukade de tro att världen var baserad på ”atomer” av jord, luft, eld och vatten. Ljuset i sig ansågs vara tillverkat av sådana mycket snabba atomer som kallas tejas. Det är anmärkningsvärt lik vår moderna teori om ljus och dess komponerande fotoner, en term myntade tusentals år senare 1926 av en kemist som heter Gilbert Lewis och en optisk fysiker som heter Frithiof Wolfers.,

senare, runt 300 f.Kr., gjorde den antika grekiska fysikern Euclid ett stort genombrott när han posited ljus reste i raka linjer. Euclid beskrev också reflektionslagarna och ett sekel senare kompletterades Ptolemy med skrifter om brytning. Det var dock inte förrän 1021 som refraktionslagarna formellt etablerades i det seminala arbetet Kitab al-Manazir, eller Book of Optics, av Ibn al-Haytham.

renässansen skulle inleda en ny tid av vetenskaplig undersökning av ljusets natur., Av Not är René Descartes ’inkursioner i en 1637 uppsats som heter La dioptrique, där han hävdade att ljus är gjord av pulser som sprids omedelbart när du kontaktar ”bollar” i ett medium. Senare i Traité de la lumière publicerad 1690 behandlade Christiaan Huygens ljus som komprimerbara vågor i ett elastiskt medium, precis som ljudtrycksvågor. Huygens visade hur man gör reflekterade, bryts och screenade vågor av ljus och förklarade också dubbel brytning.

vid den här tiden hade forskare delat upp sig i två förankrade läger., Ena sidan trodde att ljuset var en våg medan den andra vyn var av ljus som partiklar eller kroppsdelar. Den stora mästaren av de så kallade ”corpuscularisterna” var ingen annan än Isaac Newton, som allmänt trodde som den största forskaren någonsin. Newton var inte förtjust i vågteorin eftersom det skulle innebära att ljuset skulle kunna avvika för långt in i skuggan.

under större delen av 1700-talet dominerade korpuskulär teori debatten kring ljusets natur., Men sedan, i maj 1801, introducerade Thomas Young världen till sitt nu berömda tvåslitsexperiment där han demonstrerade störningen av ljusvågor.

Youngs slit experiment visar hur varje slits fungerar som en källa till sfäriska vågor, som ”stör” när de flyttar från vänster till höger som visas ovan. Kredit: University of Louisville Institutionen för Fysik.

i den första versionen av experimentet använde Young faktiskt inte två slitsar, utan snarare ett enda tunt kort., Fysikern täckte helt enkelt ett fönster med ett papper med ett litet hål i det som tjänade till att tratta en tunn ljusstråle. Med kortet i handen bevittnade Young hur strålen splittrades i två. Ljus som passerar på ena sidan av kortet störde ljuset från den andra sidan av kortet för att skapa fransar, vilket kan observeras på motsatt vägg. Senare använde Young dessa data för att beräkna våglängderna i olika färger av ljus och kom anmärkningsvärt nära moderna värden. Demonstrationen skulle ge solida bevis på att ljuset var en våg, inte en partikel.,

under tiden, den här gången i Frankrike, blev den korpuskularistiska rörelsen att få ånga efter den senaste utvecklingen tillskrivna polariseringen av ljus till någon form av asymmetri bland de lätta kropparna. De drabbades av ett stort nederlag vid Augustin Fresnel som 1821 visade att polarisering kunde förklaras om ljuset var en tvärgående våg utan longitudinell vibration. Tidigare kom Fresnel också med en exakt vågteori för diffraktion.

Vid denna punkt fanns det lite stabil grund för Newtons anhängare att fortsätta debatten., Det verkade ljus är en våg och det är det. Problemet var att den mytomspunna aether — det mystiska mediet som krävs för att stödja elektromagnetiska fält och ge Fresnels förökningslagar — saknades trots allas bästa ansträngningar att hitta den. Det har ingen gjort.

ett stort genombrott kom 1861 när James Clerk Maxwell kondenserade experimentella och teoretiska kunskaper om el och magnetism i 20 ekvationer. Maxwell förutspådde en ”elektromagnetisk våg”, som kan självhållas, även i vakuum, i avsaknad av konventionella strömmar., Det betyder att ingen eter krävs för att ljus ska spridas! Dessutom förutspådde han hastigheten på denna våg för att vara 310,740.000 m s−1 — Det är bara några procent av det exakta värdet av ljusets hastighet.

”överenskommelsen av resultaten verkar visa att ljus och magnetism är känslor av samma ämne, och ljus är en elektromagnetisk störning som förökas genom fältet enligt elektromagnetiska lagar”, skrev Maxwell 1865.,

Från och med den dagen förenades begreppet ljus för första gången med begreppet elektricitet och magnetism.

den 14 December 1900 visade Max Planck att värmestrålning emitterades och absorberades i diskreta paket med energikvanta. Senare visade Albert Einstein 1905 att detta också applicerades på ljus. Einstein använde termen Lichtquant, eller quantum of light. Nu, i början av 1900-talet, skulle en ny revolution i fysiken återigen hänga på ljusets natur. Den här gången handlar det inte om huruvida ljus är en crepuscule eller våg., Det är oavsett om det är både eller inte.

Modern teori om ljus och fotoner

Einstein trodde ljus är en partikel (foton) och flödet av fotoner är en våg. Den tyska fysikern var övertygad om att ljuset hade en partikel natur efter hans upptäckt av den fotoelektriska effekten, där elektroner flyger ut ur en metallyta utsatt för ljus. Om ljuset var en våg kunde det inte ha hänt. En annan förbryllande fråga är hur fotoelektroner multipliceras när starkt ljus appliceras., Einstein förklarade den fotoelektriska effekten genom att säga att ”ljuset i sig är en partikel”, för vilken han senare skulle få Nobelpriset i fysik.

huvudpunkten i Einsteins lätta kvantteori är att ljusets energi är relaterad till dess oscillationsfrekvens. Han hävdade att fotoner har energi lika med ”Plancks konstanta tider oscillationsfrekvens”, och denna fotonenergi är höjden på oscillationsfrekvensen medan ljusintensiteten motsvarar antalet fotoner., De olika egenskaperna hos ljus, som är en typ av elektromagnetisk våg, beror på beteendet hos extremt små partiklar som kallas fotoner som är osynliga för blotta ögat.

Einstein spekulerade att när elektroner inom Materia kolliderar med fotoner, tar den förstnämnda den senare energin och flyger ut och att ju högre svängningsfrekvensen hos fotonerna som slår, desto större är elektronenergin som kommer att flyga ut. Några av er har ett fungerande bevis på denna idé i ditt eget hem-det är solpaneler!, Kort sagt sa han att ljus är ett flöde av fotoner, energin hos dessa fotoner är höjden på deras oscillationsfrekvens och ljusets intensitet är relaterad till antalet fotoner.

Einstein kunde bevisa sin teori genom att härleda Plancks konstant från sina experiment på den fotoelektriska effekten. Hans beräkningar gjorde en Plancks konstanta värde på 6.6260755 x 10-34 vilket är exakt vad Max Planck erhöll 1900 genom sin forskning om elektromagnetiska vågor., Otvetydigt pekade detta på ett intimt förhållande mellan egenskaperna och oscillationsfrekvensen av ljus som en våg och ljusets egenskaper och momentum som partikel. Senare, under 1920-talet, utarbetade österrikisk fysiker Erwin Schrödinger på dessa idéer med sin ekvation för kvantvågsfunktionen för att beskriva hur en våg ser ut.

mer än hundra år sedan Einstein visade ljusets dubbla natur, fångade schweiziska fysiker vid École Polytechnique Fédérale de Lausanne den första ögonblicksbilden av detta dubbla beteende., Teamet som leddes av Fabrizio Carbone utförde ett smart experiment i 2015 där en laser användes för att skjuta på en nanowire, vilket fick elektroner att vibrera. Ljuset färdas längs denna lilla tråd i två möjliga riktningar, som bilar på en motorväg. När vågor som reser i motsatta riktningar möter varandra bildar de en ny våg som ser ut som den står på plats. Här blir denna stående våg ljuskällan för experimentet, som strålar runt nanowiren. Den avfyrade en ny stråle av elektroner för att avbilda den stående ljusvågen, som fungerar som ett fingeravtryck av ljusets vågskaraktär., Resultatet kan ses nedan.

det första fotografiet någonsin av ljus som både en partikel och våg. Kredit: EPFL.

hur en foton ser ut

har du någonsin undrat vilken form har en foton? Forskare har funderat på denna fråga i årtionden och slutligen 2016 skapade polska fysiker det första hologrammet av en enda ljuspartikel. Laget vid universitetet i Warszawa gjorde hologrammet genom att skjuta två ljusstrålar vid en beamsplitter, gjord av kalcitkristall, samtidigt., Beamsplitter är besläktad med en trafikljuskorsning så att varje foton antingen kan passera rakt igenom eller göra en sväng. När en foton är på egen hand är varje väg lika sannolik men när fler fotoner är inblandade interagerar de och oddsen förändras. Om du känner till vågfunktionen hos en av fotonerna är det möjligt att räkna ut formen på den andra från positionerna för blixtar som visas på en detektor. Den resulterande bilden ser lite ut som ett maltesiskt kors, precis som vågfunktionen förutspådd från Schrödingers ekvation.,

Hologram av en enda foton rekonstruerad från råmätningar som ses på vänster sida jämfört med den teoretiskt förutspådda fotonformen på höger sida. Kredit: FUW

fakta om fotoner

  • inte bara är ljus består av fotoner, men all elektromagnetisk energi (dvs mikrovågor, radiovågor, röntgen) består av fotoner.
  • Det ursprungliga konceptet för fotonen utvecklades av Albert Einstein. Det var dock forskare Gilbert N. Lewis som först använde ordet ”photon” för att beskriva det.,
  • teorin som säger att ljus beter sig både som en våg och en partikel kallas våg-partikel dualitet teori.
  • fotoner är alltid elektriskt neutrala. De har ingen elektrisk laddning.
  • fotoner förfaller inte på egen hand.