foton

Fotoner er en type elementærpartikler som alt lys og annen elektromagnetisk stråling består av. På samme måte som alle gjenstander med masse er bygget opp av atomer, er lys bygget opp av fotoner.

Faktaboks

Uttale
fotˈon
Etymologi
av gresk ‘lys’

Egenskapene ved fotoner er av stor praktisk betydning innenfor områder som kommunikasjonsteknologi og laserteknologi.

Egenskaper

Partikkel og bølge

Lys og andre elektromagnetiske bølger består av fotoner. Slike bølger har en gitt bølgelengde, kalt λ i figuren. Til tross for sin bølgenatur, vil lys også fremvise partikkelegenskaper i visse sammenhenger. En kan derfor beskrive elektromagnetiske bølger som forplanter seg i en gitt retning (x-aksen på figuren) som bestående av partikler, nemlig fotoner.

Partikkel-bølge dualitet. av . Public domain

Siden lys består av fotoner, kunne det vært nærliggende å tenke seg at fotoner best beskrives som bølger. Fra perspektivet til klassisk fysikk er dette naturlig, siden lys er en elektromagnetisk bølge, men kvantefysikken viser at fotoner ikke oppfører seg som rene bølger. Fotoner er et godt eksempel på konseptet partikkel-bølge dualitet (se bilde) fra kvantefysikk. Dette begrepet innebærer at alle elementærpartikler fremviser egenskapene til både bølger og partikler, avhengig av det fysiske systemet de befinner seg i.

Et eksempel på at fotoner (og dermed lys) kan oppføre seg som partikler, er den eksperimentelt målte Compton-effekten. Denne effekten består av spredning av lys på elektroner og kan kun forklares ved å betrakte fotoner som partikler.

MASSE OG ENERGI

Fotoner har ingen hvilemasse, men har likevel både energi og bevegelsesmengde. I henhold til spesiell relativitetsteori kan fotonets energi bestemmes via formelen E=pc, hvor p er bevegelsesmengden og c er lyshastigheten.

Hvis man bruker Louis Victor de Broglies sammenheng mellom bølgelengde og bevegelsesmengde for materiebølger, finner man at fotonet også har en frekvens, og at fotonets energi er proporsjonal med frekvensen. Det kan uttrykkes med formelen E=hf, hvor E er energien og f er frekvensen til fotonet, og h er Plancks konstant, som er 6,626 · 10−34 joule/Hz.

Elektrisk ladning

Den elektriske ladningen til et foton er null. Fotoner kan likevel vekselvirke med elektrisk ladede partikler, for eksempel elektroner. Dette skjer på grunn av at fotoner er de partiklene som bærer elektriske og magnetiske krefter. Når ladde partikler med lik ladning frastøter hverandre, virker de med en kraft fra hverandre på grunn av at de utveksler fotoner. Da fotoner har null masse, henfaller de ikke, noe som i sin tur fører til at elektriske krefter har svært lang rekkevidde.

Kvantemekanisk spinn

Den kvantemekaniske egenskapen spinn er lik ℏ for et foton, hvilket tilsvarer et spinn-kvantetall lik 1. Her er ℏ = h delt på 2π, og h er Plancks konstant.

Det er en nær relasjon mellom fotonets kvantemekaniske spinn og det man i klassisk fysikk kaller polarisasjonen til lys.

Spektrum

En klassisk elektromagnetisk bølge er bygget opp av et stort antall fotoner, vanligvis med et spektrum av frekvenser i henhold til Planck-kurven. En monokromatisk laserpuls er bygget opp av milliarder av fotoner (eller mer) med samme frekvens.

Historikk

Max Planck brukte i 1900 forholdet mellom fotonets frekvens og energi til å forklare strålingen fra svarte legemer. Dette regnes som startskuddet for kvantefysikken. Fotoner kalles også lyskvanter.

Albert Einstein brukte den samme relasjonen i 1905 til å forklare fotoelektrisk effekt. Langsomt vant forestillingen om lyskvantet som en selvstendig partikkel frem, og fra 1920 tallet var navnet foton blitt vanlig.

Konseptet at lys er kvantisert og består av partikler kalt fotoner, førte på begynnelsen av 1900-tallet til et paradigmeskifte innen fysikk. Fotoner og deres egenskaper har i det siste århundre blitt benyttet som sentrale ingredienser på flere områder, blant annet

Anvendelser

For å produsere laserlys, er partikkelegenskapen til elektromagnetiske bølger essensiell. Det ekstremt fokuserte laserlyset bestående av fotoner skapes ved en fysisk prosess kalt stimulert emisjon.

Illustrasjon av grønn laserstråle. av . Public domain

Laseren

Fotoner og deres egenskaper er den fundamentale ingrediensen i virkemåten til laseren (se bilde). Den har ført til store fremskritt innen både medisin, våpenteknologi og måleteknikk.

Måten laserlys oppstår på kan forenklet sett beskrives ved at når fotoner sendes inn mot et stoff, slik at de belyses, vil stoffet kunne produsere flere fotoner med nøyaktig samme frekvens, polarisasjon og retning som de innkommende fotonene. Denne prosessen kalles stimulert emisjon. Resultatet er en svært fokusert lysstråle hvor alle fotonene har samme egenskaper og dermed er fullstendig koherente.

Kommunikasjonsteknologi og moderne forskning

Fotoner spiller en sentral rolle innen kommunikasjonsteknologi, siden de utgjør de elektromagnetiske signalene som brukes til å kommunisere med for eksempel mobiltelefoner. Til slik bruk er de kvantemekaniske egenskapene til fotoner ikke avgjørende, mens kvanteaspektet ved fotoner står sentralt innenfor moderne forskningsfelt som sammenfiltring og kvanteoptikk.

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer (2)

skrev Arne Westgaard

På skolen lærte jeg at fotoner har masse når de er i bevegelse, men ikke når de er i hvile ( fordi fotoner for så vidt aldri kan være annet enn i bevegelse). Stemmer dette? Det rimer ikke med påstanden: «Men lyset og fotonene har ikke masse, kun energi.» Mvh Arne Westgaard

svarte Jan-Petter Hansen

Det du lærte er riktig. Masseløse partikler kan ikke være i ro. Det at de har energi (men ikke masse) er et utrykk for nettopp det.

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg