Foton

Illustration af udsendelsen at et foton i Bohrs atommodel, når en elektron skifter fra en højere til en energimæssigt lavere elektronskal. En rigtigere model for atomet er dog stående bølger i rummet af elektroner og atomkernen.

Fotonen er den elementarpartikel, der er ansvarlig for elektromagnetiske fænomener, eksempelvis elektromagnetisk stråling som røntgenstråling, ultraviolet lys, synligt lys, infrarødt lys, mikrobølger og radiobølger.

Fotonen adskiller sig fra andre elementarpartikler, f.eks. elektroner eller kvarker, ved at den ikke besidder nogen hvilemasse. I vakuum bevæger den sig med lysets hastighed, c = 299.792.458 m/s eller tæt på 300.000 km/s.

Som alle kvanter besidder fotonen både bølge- og partikelegenskaber (Partikel-bølge dualitet). Bølgeegenskaberne inkluderer brydning i linser og interferens. At fotonen også besidder partikelegenskaber kommer til udtryk ved, at den kun kan vekselvirke med stof ved at overføre en kvantiseret mængde energi givet ved

${\displaystyle E={\frac {hc}{\lambda }},}$

hvor h er Plancks konstant og ${\displaystyle \lambda }$ er fotonernes bølgelængde. I modsætning hertil kan en almindelig bølge overføre eller modtage vilkårlige mængder af energi.

For synligt lys er en enkelt fotons energi mellem 2,8 × 10^-19 og 5 × 10^-19 J eller 1,8 og 3,1 eV, en relativt lille energi, men nok til at excitere et enkelt molekyle i øjets fotoreceptorer og dermed bidrage til synssansen. Til sammenligning skal anføres at fotonenergien af UV-stråling er mellem 3.10 og 12.4 eV, tilstrækkeligt til at bryde en kemisk binding og danne radikaler.

Udover at have en energi har fotoner også en impuls og en polarisering. Eftersom fotonen følger kvantemekanikkens love, er det ofte tilfældet, at dens egenskaber ikke har veldefinerede værdier. Derimod er de beskrevet ved en sandsynlighed for at måle en bestemt polarisering, position eller impuls. Selvom en foton er i stand til at excitere et enkelt molekyle, er det f.eks. ofte ikke muligt på forhånd at bestemme hvilket molekyle, der bliver exciteret.

Fysikere benytter ofte beskrivelsen af en foton, som en partikel der bærer elektromagnetisk stråling. Indenfor teoretisk fysik kan fotonen dog også betragtes som formidler af enhver type elektromagnetisk vekselvirkning, eksempelvis magnetfelter og elektrisk frastødning/tiltrækning mellem elektrisk ladede partikler.

Fotonen som koncept, blev udviklet gradvis omkring årene 1905-1907 af Albert Einstein for at forklare eksperimentelle observationer, der ikke stemte overens med den klassiske bølgebeskrivelse af lys. Specifikt forklarede foton-modellen lysets energis afhængighed af frekvens, samt at stof og stråling kan være i termisk ligevægt. Andre fysikere forsøgte at forklare disse observationer med semiklassiske modeller, hvor lys stadig blev beskrevet ved Maxwells ligninger, men hvor de materialer der udsendte og absorberede lyset var kvantiserede. Disse modeller medvirkede til udvikling af kvantemekanikken, men yderligere forsøg underbyggede Einsteins hypotese om at lyset er kvantiseret. Lyskvanterne er fotoner.

Fotonkonceptet har ført til store fremskridt i både eksperimentel og teoretisk fysik, f.eks. lasere, Bose-Einstein-kondensat og kvantefeltteori. Ifølge standardmodellen for partikelfysik, ligger fotoner til grund for alle elektriske og magnetiske felter og er selv et produkt af kravet om, at de fysiske love har visse symmetrier for ethvert punkt i rumtiden. Fotonens indbyggede egenskaber, som f.eks ladning, spin og (fravær af) masse, er bestemt ud fra disse symmetrier.

I 2007 lykkedes det at fastholde og måle tilstedeværelsen af en mikrobølgefoton i op til et halvt sekund mellem to superledende spejle. ^[1]

Se også

• Elementarpartikel
• Kvantemekanik
• Fotonisk krystal
• Orbitalt impulsmoment (bølge)
• Ultraviolet lys

Referencer

Eksterne henvisninger

• Wikimedia Commons har flere filer relateret til Foton
• Webarchive backup: En lyspartikel med identitetsproblemer (humoristisk tegning)
• Number 523 #2, February 1, 2001, AIP: How Light Gets Through Tiny Holes Arkiveret 14. marts 2004 hos Wayback Machine Citat: "...Now, two research collaborations independently explain the results by showing that plasmons (themselves collective objects) and the photons of light form a composite object, known as a "surface plasmon polariton."..."
• 'Energy-sucking' Radio Antennas, N. Tesla's Power Receiver Arkiveret 15. oktober 2004 hos Wayback Machine Citat: "...The truth is quite strange...By manipulating the EM fields, we can force an electrically-small receiving antenna to behave as if it was very, VERY large...In theory a tiny loop antenna can work as well as a longwire 1/2-wave antenna which is 10KM long...The energy doesn't vanish, instead it ends up INSIDE the atom. By resonantly creating an "anti-wave", the tiny atom has "sucked energy" out of the enormously long light waves as they go by...When all is said and done, our oscillating coil has absorbed half of the incoming EM energy and re-emitted (or "scattered") the rest..."
  • C. F. Bohren, "How can a particle absorb more than the light incident on it?", Am J Phys, 51 #4, pp323 Apr 1983 Arkiveret 10. oktober 2004 hos Wayback Machine Citat: "...A particle can indeed absorb more than the light incident on it...In the former, strong absorption is associated with excitation of surfaces plasmons; in the latter it is associated with excitation of surface phonons. In both instances, the target area a particle presents to incident light can be much greater than its geometrical cross-sectional area...."
  • Regeneration revisited. The Tesla Connection by Gary L. Peterson Arkiveret 4. december 2004 hos Wayback Machine Citat: "...So it may be said that Tesla anticipated the technique of regenerative feedback to increase detector sensitivity...A detailed description of how the negative resistance, negative inductance circuit works, including a differential form of the active antenna circuit and other pertinent information, can be found in U.S. Patent No. 5,296,866, Mar. 22, 199..."