Otvori glavni izbornik

Foton (prema grč. φῶς, genitiv: φωτός: svjetlοst), svjetlosni kvant ili kvant elektromagnetskoga zračenja (oznaka γ) je osnovni djelić energije elektromagnetskoga zračenja, elementarna čestica koja je posrednik u prenošenju elektromagnetskoga međudjelovanja. U vakuumu se foton giba brzinom svjetlosti, a nema masu, električni naboj, ni energiju mirovanja. Njegov je spin jednak jedinici i pripada u skupinu bozona. Foton kao pojam uveo je A. Einstein 1905. kako bi objasnio fotoelektrični učinak, koji se nije mogao objasniti s pomoću valne teorije elektromagnetskoga zračenja. Elektromagnetsko zračenje frekvencije ν pokazuje pri međudjelovanju s tvari da se sastoji od nedjeljivih fotona energije:

Foton
Photoelectric effect.png
Fotoelektrični učinak: ulazni fotoni dolaze s lijeve strane i udaraju metalnu ploču (na dnu), izbijaju elektrone, koji su prikazani kako izliječu na desnu stranu.
Kompozicija: Elementarna čestica
Čestična statistika: Bose-Einsteinova statistika
Međudjelovanje: Gravitacijsko, slabo, elektromagnetsko
Simbol(i): γ
Teoretiziran: A. Einstein (1905.)
Naziv "foton" općenito se pripisuje G. N. Lewisu (1926.)
Masa: 0

< 1×10-18 eV/c2

Vrijeme poluraspada: stabilan [1]
Električni naboj: 0
< 1×10−35 e
Spin: 1
Paritet: -1
C-paritet: -1
U pojednostavljenom Bohrovom modelu atoma vodika, Balmerova serija nastaje skokom elektrona na drugu energetsku razinu (n = 2). Prikazana je emisija kvanta svjetlosti. Prijelaz elektrona prestavlja H-alfa, prvu liniju Balmerove serije, valne duljine 656 nm.
Comptonov učinak: foton valne duljine koji dolazi s lijeve strane, sudara se sa slobodnim elektronom, pa se zatim stvara novi foton valne duljine koji se raspršuje pod kutem .

gdje je: h - Planckova konstanta. Fotoni nastaju u mnogim prirodnim procesima: pri ubrzavanju električki nabijenih čestica (sinkrotronsko zračenje), pri nuklearnoj, atomskoj ili molekularnoj pretvorbi (transformaciji) iz stanja više energije u stanje niže energije, pri poništenju (anihilaciji) čestica i antičestica. [2] Fotoni, kao i sve čestice, uklapaju se u teorije moderne kvantne mehanike, te pokazuju svojstva i čestica i valova (fizikalni dualizam).

Fizikalna svojstvaUredi

Foton nema masu[lower-alpha 1], električni naboj[4] ni masu mirovanja. Također je baždarni bozon elektromagnetizma, pa nema kvantne brojeve unutarnje simetrije (leptonski broj, barionski broj, okusni kvantni brojevi).[5] Foton također ne poštuje Paulijev princip isključenja. Prema Standardnom modelu fizike, foton je jedan od četiri baždarna bozona koji prenose slabu nuklearnu silu; ostala tri su W+, W i Z0. Za razliku od fotona, ovi baždarni bozoni imaju masu, zbog Higgsovog mehanizma koji krši njihovu SU(2) baždarnu simetriju. Ujedinjenje fotona s W i Z baždarnim bozonima kao prenositeljima slabe elektronuklearne interakcije postigli su S. L. Glashow, . Salam i S. Weinberg, za što im je 1979. dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku.[6][7][8] Fizičari nastoje povezati četiri baždarna bozona sa osam vrsta gluona putem kvantne kromodinamike; no neke od glavnih teorija, poput protonskog raspada, još uvijek nisu eksperimentalno dokazane.[9]

Fotoelektrični učinak i kvant svjetlostiUredi

 Podrobniji članak o temi: Fotoelektrični učinak

Stavimo na štap elektroskopa ploču od cinka koja je prevučena amalgamom i nabijmo je negativno. Kad ploču osvijetlimo pomoću električnog luka, smanjit će se otklon listića elektroskopa. Stavimo li na put zraka svjetlosti zastor tako da ploča bude zaklonjena, otklon listića ostat će isti. Djelovanje svjetlosti neće imati nikakav utjecaj na otklon listića ako je ploča pozitivno nabijena. Uzmemo li kao zastor obično staklo koje ne propušta ultraljubičaste zrake, otklon listića neće opadati. Naprotiv, upotrijebimo li staklo koje propušta ultraljubičaste zrake, otklon listića će opadati, što znači da na električni naboj cinkove ploče djeluju samo ultraljubičaste zrake. Djelovanje svjetlosti na električno stanje tijela zove se fotoelektrični učinak ili efekt.

Kod većine kovina, kao i kod cinka, djeluju fotoelektrički samo ultraljubičaste zrake. Alkalne kovine, kao cezij, natrij, kalij i litij, fotoelektrički su osjetljive i na vidljivu svjetlost. Kod fotoelektričnog učinka djelovanjem svjetlosti izbijaju se iz negativno nabijene ploče elektroni koji ioniziraju zrak, pa se ploča izbija. Ovdje se, dakle, energija zračenja (radijacije) pretvara u električnu energiju.

Fotelektrični učinak protumačio je A. Einstein 1905. svojom teorijom o kvantima svjetlosti. Na osnovi Planckove teorije o kvantima energije, Einstein je pretpostavio da je i svjetlost kvantizirana pojava, to jest da iz izvora svjetlosti izlaze kvanti svjetlosti, koji se često zovu fotoni. Ispitivanja su pokazala da jedan kvant svjetlosti ili foton ima energiju:

 

gdje je: h - Planckova konstanta, υ - frekvencija svjetlosti. Prema tome svjetlost veće frekvencije ima veći kvant energije i može lakše izbiti elektron iz metala i dati mu kinetičku energiju (m∙v2)/2. Kod fotoelektričnog učinka energija fotona djelomično se utroši na izbijanje elektrona iz kovine, a djelomično prijeđe u kinetičku energiju elektrona mase m, koji izleti iz metala brzinom v, pa je:

 

gdje je: h∙υ - energija fotona, A - rad potreban za izbijanje elektrona, (m∙v2)/2 - kinetička energija elektrona. Izbijanje elektrona iz kovina nastaje tek onda kada svjetlost ima dovoljnu frekvenciju da se s energijom h∙υ može izvršiti rad A, potreban za izbijanje elektrona. Taj je rad različit za razne kovine, a naročito je malen kod alkalijskih kovina, gdje su sile koje vežu elektrone vrlo malene. Ispod neke minimalne frekvencije ne može se razviti fotoelektrični učinak, pa makar kako jaka bila svjetlost.

Razlika je između Planckova kvanta energije i Einsteinovog fotona u ovome. Po Planckovom shvaćanju kvant se energije nakon emisije razilazi po prostoru u obliku kuglastog vala. Po Einsteinovoj zamisli emitirani kvant energije ostaje na okupu, lokaliziran poput zrnca ili čestice i kao takav (čestica ili korpuskula) juri brzinom svjetlosti kroz prostor. Taj lokalizirani i korpuskularni kvant energije jest Einsteinov foton, kvant svjetlosti, to jest čestica svjetlosti ili zračene energije. [10]

BilješkeUredi

  1. Masa fotona je dogovorno jednaka nuli. Neki izvori govore o relativističkoj masi, koja je za foton valne duljine λ ili energije E, jednaka h/λc ili E/c2.[3]

IzvoriUredi

  1. Amsler, C. (2008). "Review of Particle Physics: Gauge and Higgs bosons". Physics Letters B 667 (1)
  2. foton (svjetlosni kvant), [1] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2019.
  3. What is the mass of a photon?
  4. Kobychev, V.V. (2005). "Constraints on the photon charge from observations of extragalactic sources". Astronomy Letters 31 (3): 147–151
  5. (1993) [Foton na Google knjigama Gauge Theories in Particle Physics] (engleski), IOP Publishing ISBN 0-85274-328-9, str. 29.-30.
  6. Sheldon Glashow Nobel lecture, delivered 8 December 1979.
  7. Abdus Salam Nobel lecture, delivered 8 December 1979.
  8. Steven Weinberg Nobel lecture, delivered 8 December 1979.
  9. Hughes, I. S. (1985). Elementary particles, 2nd, Cambridge University Press ISBN 0-521-26092-2, 14. poglavlje
  10. Velimir Kruz: "Tehnička fizika za tehničke škole", "Školska knjiga" Zagreb, 1969.