Klassifikation | Boson |
---|---|
Sammensætning | Elementære |
Gruppe | Gauge boson |
Symbol | ɣ |
Masse |
0 (teoretisk) <10 - 54 kg (<~ 5 × 10 - 19 eV / c 2 ) (eksperimentel) |
---|---|
Elektrisk opladning |
0 (teoretisk) <1 × 10 −35 e (eksperimentel) |
Spin | 1 |
Livstid |
Stabil (teoretisk) Ikke relevant > 1 × 10 18 år (eksperimentel) |
Forudsigelse | Albert Einstein , 1905-1917 |
---|---|
Opdagelse | Arthur Compton , 1923 |
Den foton er quantum af energi i forbindelse med elektromagnetiske bølger (lige fra radiobølger til gammastråler til synligt lys ), som udviser visse karakteristika for en elementær partikel . I kvantefeltteori er fotonet mediatorpartiklen i den elektromagnetiske interaktion . Med andre ord, når to elektrisk ladede partikler interagerer, oversættes denne interaktion fra et kvantesynspunkt som en udveksling af fotoner.
Ideen om en kvantificering af den energi, der bæres af lys, blev udviklet af Albert Einstein i 1905 fra undersøgelsen af sort legemsstråling af Max Planck for at forklare den fotoelektriske effekt, som ikke kunne indgå i rammen af en klassisk bølgemodel af lys, men også af hensyn til teoretisk sammenhæng mellem statistisk fysik og bølgefysik. Opdagelsen af Compton-effekten i 1923, der også giver lysets partikelegenskaber, og fremkomsten af kvantemekanik og bølgepartikel-dualitet fører til at betragte dette kvante som en partikel, der hedder foton i 1926.
Fotoner er "pakker" med elementær energi eller kvanta af elektromagnetisk stråling , som udveksles under optagelse eller udsendelse af lys ved hjælp af stof. Derudover er energien og momentumet ( strålingstrykket ) for en monokromatisk elektromagnetisk bølge et helt antal gange det for en foton.
Begrebet foton har givet anledning til vigtige fremskridt inden for eksperimentel og teoretisk fysik, såsom lasere , Bose-Einstein-kondensater , kvanteoptik , kvantefeltteori og den sandsynlige fortolkning af kvantemekanik . Fotonen er en partikel af spin svarende til 1, den er derfor en boson , og dens masse ville være nul eller under alle omstændigheder mindre end ca. 5 × 10 -19 meV / .
Energien fra et synligt lys foton er i størrelsesordenen 2 eV , hvilket er ekstremt lavt: En enkelt foton er usynlig for et dyrs øje, og de sædvanlige strålingskilder ( antenner , lamper , laser osv.) Producerer meget store mængder af fotoner, hvilket forklarer, hvorfor den "granulære" natur af lysenergi er ubetydelig i mange situationer, der undersøges af fysik. Det er dog muligt at fremstille fotoner en efter en gennem følgende processer:
Det maskuline navneord "foton" ( udtalt [fɔtɔ̃] på standardfransk ) stammer fra " foto- " med suffikset " -on ". Den basen ”foto-” er taget fra den antikke græske φῶς , φωτός ( Phos, fotos ), hvilket betyder ”lys”. Suffikset "-on" er taget fra slutningen af " elektron ". "Photon" betegner de partikler, der bærer lys og tilhørende energi. Som vi finder i artiklen af Albert Einstein fra1905blev den kvantificerede energiudveksling mellem lys og materie oprindeligt betegnet med "energikvantum" ( Energiequantum ) eller "lysende kvante" ( Lichtquant ). Vi finder et første spor af udtrykket "foton" i1916i et forslag fra den amerikanske psykolog og psykofysiolog Leonard T. Troland (1889-1932) for at betegne enheden, der senere kaldes troland eller luxon. Udtrykket blev derefter brugt inden for rammerne af undersøgelser af fysiologi for visuel opfattelse: John Joly (1857-1933) brugte således navnet på foton i1921, til at betegne den energi, der svarer til en elementær stimulus, der går fra nethinden til hjernen. I sine publikationer biokemikeren René Wurmser (1890-1993) brugte også udtrykket. Det blev samlet en gang af Frithiof (Fred) Wolfers (-1971) i en note præsenteret for videnskabsakademiet af Aimé Cotton den 26. juli 1926 i hans undersøgelse af de kantede kanter af skyggen af en belyst uigennemsigtig genstand. Det blev også fremsat af kemiker Gilbert N. Lewis (1875-1946) i et brev til Nature, der blev offentliggjort den 18. december 1926. Det var på dette tidspunkt, at udtrykket " foton " blev bredt vedtaget af det videnskabelige samfund.
I partikler og højenergifysik er en foton normalt repræsenteret af symbolet (græsk bogstav gamma ) i forbindelse med gammastrålerne opdaget i 1900 af Paul Villard . I 1914 demonstrerede Rutherford og Edward Andrade, at disse gammastråler faktisk var elektromagnetisk stråling, ligesom lys.
Gennem historien har lysbeskrivelsen fulgt en nysgerrig penduludsving mellem en korpuskulær vision og en bølgesyn. I de fleste teorier indtil XVIII th århundrede, er det opfattelsen, at lys består af partikler. Selvom bølgemodeller er foreslået af René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) og Christian Huygens (1678), forbliver partikelmodeller dominerende, dels på grund af Isaac Newtons indflydelse . En ændring af paradigme finder sted fra demonstrationen af forstyrrelser og lysdiffraktion af Thomas Young og Augustin Fresnel i begyndelsen af XIX E århundrede, og i 1850 bliver bølgemodellerne reglen efter eksperimentet udført af Léon Foucault på lysets formeringshastighed. Maxwells forudsigelse i 1865 om, at lys er en elektromagnetisk bølge, efterfulgt af Hertz's eksperimentelle bekræftelse i 1888, ser ud til at være et knockout-slag mod kropsteorier om lys.
Den bølge teori af Maxwell tager ikke højde for alle de egenskaber af lys. Denne teori forudsiger, at energien i en lysbølge kun afhænger af bølgens amplitude, men ikke af dens frekvens; imidlertid viser mange eksperimenter, at den energi, der overføres fra lys til atomer, kun afhænger af frekvens og ikke af amplitude. For eksempel er visse kemiske reaktioner kun mulige i nærvær af en lysbølge med tilstrækkelig frekvens: under en tærskelfrekvens, uanset den indfaldende intensitet, kan lyset ikke starte reaktionen. Tilsvarende udskilles elektroner i den fotoelektriske effekt kun fra en metalplade over en bestemt frekvens, og energien fra de udsendte elektroner afhænger af bølgefrekvensen og ikke af dens amplitude. I samme retning, de opnåede resultater ved afslutningen af XIX th og tidlig XX th århundrede på strålingen af sorte legeme teoretisk reproduceres af Max Planck i 1900 antages, at de materielle samvirker med en elektromagnetisk bølge med frekvensen kun kan modtage eller udsende elektromagnetisk energi i pakker med en bestemt værdi lig med - disse pakker kaldes kvanta .
Da Maxwells ligninger tillader enhver værdi af elektromagnetisk energi , troede de fleste fysikere oprindeligt, at denne kvantisering af den udvekslede energi skyldtes hidtil ukendte begrænsninger for stof, der absorberer eller udsender lys. I 1905 var Einstein den første til at foreslå, at kvantificering af energi er en egenskab af selve lyset . Selvom han ikke sætter spørgsmålstegn ved gyldigheden af Maxwells teori, viser Einstein, at Plancks lov og den fotoelektriske effekt kunne forklares, hvis energien i den elektromagnetiske bølge var lokaliseret i punktmængder, der bevægede sig uafhængigt af hinanden, selvom selve bølgen kontinuerligt blev forlænget i rummet. I sin artikel forudsiger Einstein, at energien fra de elektroner, der udsendes under den fotoelektriske effekt, afhænger lineært af bølgefrekvensen. Denne stærke forudsigelse blev bekræftet eksperimentelt af Robert Andrews Millikan i 1916, hvilket fik ham - sammen med sine eksperimenter med ladede dråber - Nobelprisen i 1923. I 1909 og 1916 viste Einstein, at hvis Plancks lov om stråling af den sorte krop er nøjagtig, energikvanterne skal også have en impuls , der gør dem til fuldgyldige partikler . Fotonpulsen blev eksperimentelt demonstreret af Arthur Compton , som tjente ham Nobelprisen i 1927.
Gennem begyndelsen af det XX th århundrede, men fotonen konceptet stadig kontroversielt, især på grund af manglen på en formalisme at kombinere bølge fænomener med den nyopdagede corpuscular fænomener. Så i 1913 skrev Planck i et henstillingsbrev til fordel for Einsteins optagelse i det preussiske videnskabsakademi:
”Vi bør ikke holde det for hårdt for ham, at han i hans spekulationer lejlighedsvis har overskredet sit mål, som med hans hypotese om lysmængder. "
Mange effekter, der viser lysets kvantiserede natur, kan faktisk også forklares med en semiklassisk teori, hvor materie kvantiseres, men lys betragtes som et klassisk elektromagnetisk felt. Blandt de fænomener, der kan forklares på denne måde, kan vi for eksempel citere eksistensen af en tærskel i den fotoelektriske effekt, forholdet mellem energien fra det udsendte elektron og bølgefrekvensen, grupperingen af fotoelektroner i et interferometer Hanbury Brown og Twiss samt den poissoniske regnskabsstatistik. I modsætning til almindelig opfattelse er den fotoelektriske effekt derfor ikke det absolutte bevis for eksistensen af fotonet (skønt nogle eksperimenter med den fotoelektriske effekt imidlertid ikke kan forklares med en semiklassisk teori).
Comptons eksperiment giver en mere håndgribelig eksistens til fotonet, da sidstnævnte viser, at diffusion af elektroner ved røntgenstråler er godt forklaret ved at tilskrive fotonet det vinkelmoment, som Einstein forudsagde. Dette eksperiment markerer et afgørende stadium, hvorefter hypotesen om lysmængder vinder støtte fra flertallet af fysikere. I et sidste forsøg på at gemme den kontinuerlige variation af elektromagnetisk energi og gøre den kompatibel med eksperimenter udvikler Bohr, Kramers og Slater en model baseret på to drastiske antagelser:
Imidlertid viser mere præcise Compton-spredningseksperimenter, at energi og momentum bevares ekstraordinært godt under elementære processer, og også at elektronrekylen og genereringen af en ny foton under Compton-spredning adlyder. Til kausalitet inden for 10ps. Som et resultat giver Bohr og hans samarbejdspartnere deres model "så ærværdig en begravelse som muligt" . På den teoretiske front formår kvanteelektrodynamik opfundet af PAM Dirac at give en komplet teori om stråling - og elektroner - der forklarer bølge-partikel dualitet . Siden den tid, og især takket være opfindelsen af laseren , har eksperimenter mere og mere bekræftet eksistensen af foton og svigtet med semi-klassiske teorier. Især er det blevet muligt at måle tilstedeværelsen af en foton uden at absorbere den og således direkte demonstrere kvantiseringen af det elektromagnetiske felt, så Einsteins forudsigelse anses for at være bevist .
Nobelpriser tildelt i forbindelse med begrebet foton:
Fotonen har ingen elektrisk ladning , mere præcist er eksperimenterne kompatible med en elektrisk ladning mindre end 1 × 10 −35 e (gamle maksimale estimater: 5 × 10 −30 e). En foton har to mulige polariseringstilstande og er beskrevet af tre kontinuerlige parametre: komponenterne i dens bølgevektor , der bestemmer dens bølgelængde λ og dens formeringsretning. Fotoner udsendes fra flere processer, for eksempel når en ladning accelereres, når et atom eller en kerne springer fra et højt energiniveau til et lavere niveau, eller når en partikel og dets antipartikel udslettes. Fotoner absorberes i den omvendte proces, for eksempel i produktionen af en partikel og dets antipartikel eller i atom- og nukleare overgange til høje energiniveauer.
En fotonstrømning er i stand til at ændre hastigheden på materielle objekter (acceleration af partikler, atomer, molekyler, ...). Bevaring af momentum indebærer derefter, at en foton har et momentum, der ikke er nul.
Fotonen er dog masseløs . Eksperimenterne er kompatible med en masse mindre end 10-54 kg , dvs. 5 × 10-19 eV / c 2 (tidligere estimater placerede den øvre grænse ved 6 × 10 -17 eV / c 2 og 1 × 10 -18 eV / c 2 ); det antages generelt, at fotonet har nul masse.
Den klassiske definition af momentum (produkt af masse efter hastighed) kan således synes at føre til en modsigelse. Forklaringen er, at det, der er bevaret, i den relativistiske ramme ikke længere strengt taget er energi og momentum, men et mere abstrakt objekt, der kombinerer dem, quadri-momentet . I særlig relativitet demonstrerer vi, at forholdet mellem energien , momentum og massen af en partikel er skrevet: (hvor c er lysets hastighed i et vakuum). Således for en foton med nul masse (og derfor af hastighed i alle referencerammer) har vi den enkle relation: E = c • p (i øvrigt gyldig for enhver partikel uden masse); momentum p således definerede (og lige , hvor er Plancks konstant og den frekvens af den elektromagnetiske stråling) fungerer som det klassiske momentum, for eksempel i beregningen af stråling tryk . En mere detaljeret analyse af denne beregning (og dens konsekvenser for variationen i fotonets bølgelængde under en uelastisk kollision) kan findes i artiklen Compton-spredning .
Fotonen har også en spin, der er uafhængig af dens frekvens, og som er lig med 1, som tillader a priori tre værdier for sin projektion: -1, 0 og 1. Værdien 0 er dog forbudt af kvantefeltteori , på grund af fotonets nulmasse. Amplituden af spin er, og komponenten målt i udbredelsesretningen, kaldet helicitet , skal være . De to mulige helikopter svarer til de to mulige tilstande med cirkulær polarisering af fotonet (med uret og mod uret). Som i klassisk elektromagnetisme svarer en lineær polarisering til en overlejring af to tilstande med modsat helicitet.
Fotonen kan karakteriseres ved:
Vi finder også energien reduceret af og udtrykt i , af og udtrykt i eller dimensionsløs af .
Det første billede, vi har af fotonet, er "lysets kugle", lyset vil være sammensat af korn, der bevæger sig med 299.792.458 m / s ( lysets hastighed ).
I denne model nedbrydes en given lysenergistrøm til kugler, hvis energi afhænger af bølgelængden λ og er lig med h . c / λ . For et monokromatisk lys (dvs. hvis spektrum er reduceret til en enkelt bølgelængde) består energistrømmen således af mange "bløde" kugler, hvis bølgelængden er stor. (På den røde side) eller få "hårde" perler, hvis bølgelængden er lille (på den blå side) - kvalifikatorerne "blød" og "hård" vedrører den mængde elektromagnetisk energi, som de inkluderer.
Hvis lys består af flere bølgelængder, består energistrømmen af perler med varierende "hårdhed".
Denne opfattelse, forenklet i henhold til de nuværende standarder, tillader ikke en korrekt forklaring af alle lysets egenskaber.
Fotonen er et koncept til forklaring af interaktionen mellem elektromagnetisk stråling og stof. Hvad angår de andre elementære partikler , har den en bølge-partikel dualitet . Vi kan kun tale om en foton som en partikel i øjeblikket for interaktion. Bortset fra enhver interaktion ved vi ikke - og vi kan ikke vide - hvilken "form" denne stråling har. Vi kan intuitivt forestille os fotonet inden for rammerne af denne dualitet som en punktkoncentration, der kun ville dannes på tidspunktet for interaktionen, derefter spredes ud og reformere igen på tidspunktet for en anden interaktion. Vi kan derfor ikke tale om "lokalisering" eller "bane" af fotonet, mere end man kan tale om "lokalisering" eller "bane" af en bølge.
Faktisk kan vi kun se foton som en kvantepartikel, det vil sige et matematisk objekt defineret af dets bølgefunktion, som giver sandsynligheden for tilstedeværelse. Det vil generelt have form af en bølgepakke. Denne bølgefunktion og den klassiske elektromagnetiske bølge opretholder et tæt forhold, men smelter ikke sammen.
Således har den elektromagnetiske bølge, det vil sige værdien af det elektriske felt og magnetfeltet som en funktion af stedet og øjeblikket ( og ) derfor to betydninger: