Φωτόνιο

Φωτόνιο

Φωτόνια που εκπέμπονται σε συνεκτική κατάσταση από ένα λέιζερ
Σύνθεση	Στοιχειώδες σωμάτιο
Στατιστική	Μποζονική
Αλληλεπιδράσεις	ηλεκτρομαγνητική
Σύμβολο	γ, hν, ħω
Προβλέφθηκε θεωρητικά	Άλμπερτ Αϊνστάιν
Αναλλοίωτη μάζα	0 (θεωρητικά) <10-18 eV/c2 (πειραματικό όριο)
Μέσος χρόνος ζωής	Σταθερό
Ηλεκτρικό φορτίο	0 (θεωρητικά) <10-35 e (πειραματικό όριο)
Σπιν	1
Ομοτιμία	-1
C ομοτιμία	-1
Συμπαγής γραφή συμμετριών	I(JPC)=0,1(1−−)

Το φωτόνιο είναι το κβάντο στην κβαντομηχανική και στη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων όταν αυτό αναφέρεται στο φως και γενικότερα στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (ενέργεια), ως φορέας των ηλεκτρομαγνητικών αλληλεπιδράσεων.
Είναι μποζόνιο με σπιν 1, μάζα ηρεμίας και φορτίο 0.

Ιστορία

Η πρώτη θεωρητική πρόβλεψη για την ύπαρξή του, έγινε από τον Πλανκ στις 14 Δεκεμβρίου του 1900, όταν διατύπωσε επίσημα την υπόθεση ότι η φωτεινή ενέργεια που ακτινοβολείται από ένα θερμαινόμενο σώμα (ακτινοβολία μέλανος σώματος) δεν εκπέμπεται κατά συνεχή ροή, αλλά σε μορφή αυτοτελών ποσοτήτων (ε) που είναι ανάλογες προς τη συχνότητα (ν) του εκπεμπόμενου φωτός. Έτσι, με τη θεωρητική αυτή ερμηνεία κατάφερε να συμφωνήσει με τα πειραματικά δεδομένα στο υπεριώδες φως.

Η θεωρία όμως αυτή δεν απέκτησε κάποια επεξηγηματική σημασία, παρά μόνο πέντε χρόνια μετά, όταν το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, επανεξετάζοντας την «υπόθεση Πλανκ» και επεκτείνοντας αυτή και στη διαδικασία της απορρόφησης, ερμηνεύοντας έτσι και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρότεινε την ύπαρξη «κβάντων φωτός», δηλαδή φωτονίων.

Γενικά χαρακτηριστικά

Το σύμβολο του φωτονίου είναι το ελληνικό γράμμα $\gamma$. Το φωτόνιο έχει ενέργεια ίση με

$E=h\cdot f=p\cdot c$

όπου με $h\,$ συμβολίζεται η σταθερά του Πλανκ, με $f\,$ η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, με $p\,$ η ορμή του φωτονίου και $c\,$ είναι η ταχύτητα του φωτός.

Αν λύσουμε την πρώτη σχέση ως προς $f\,$, βλέπουμε ότι η συχνότητα ενός φωτονίου καθορίζεται από το πόση ενέργεια «κουβαλάει». Έτσι, αυτό που ουσιαστικά διαφοροποιεί τις διαφόρων ειδών ακτινοβολίες μεταξύ τους είναι το ποσό της ενέργειας που μεταφέρουν τα φωτόνιά τους. Τα χρώματα, για παράδειγμα, διαφοροποιούνται γιατί «αποτελούνται» από φωτόνια διαφορετικής ενέργειας και κατά συνέπεια διαφορετικής συχνότητας. Έτσι, έχουμε φωτόνια ραδιοφωνικών κυμάτων (χαμηλής ενέργειας), φωτόνια στην ορατή περιοχή του φάσματος και φωτόνια ακτίνων γ, που παράγονται όταν αποδιεγείρονται οι ατομικοί πυρήνες.

Στο κενό κινείται με την ταχύτητα του φωτός, ενώ μέσα σε υλικά η ταχύτητά του αλλάζει ανάλογα με τη φύση του υλικού. Το φωτόνιο έχει μηδενική μάζα ηρεμίας, ενώ η σχετικιστική του μάζα δίνεται από τη σχέση

$m={\frac {E}{c^{2}}}$

Μπορεί να συμπεριφέρεται είτε ως κύμα (π.χ. σε πειράματα συμβολής και περίθλασης) είτε ως σωματίδιο (π.χ. στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο). Η διπλή αυτή συμπεριφορά, που περιγράφεται με τον όρο «κυματοσωματιδιακός δυϊσμός», ήταν και η αφετηρία της Κβαντομηχανικής της Ύλης, αντιστρέφοντας τον συλλογισμό και θεωρώντας ότι και τα σωματίδια μπορεί να έχουν κυματικό χαρακτήρα υπό συνθήκες.

Το φωτόνιο ως φορέας πεδίου

Σύνοψη των σωματιδίων και των δυνάμεων της σωματιδιακής φυσικής.

Τα συμπεράσματα της κβαντικής Θεωρίας Πεδίου προβλέπουν ότι τα ηλεκτρικά πεδία είναι κβαντωμένα. Η άσκηση της δύναμης από ένα φορτίο σε άλλο γίνεται με την ανταλλαγή δυνητικών φωτονίων που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός και μεταφέρουν ορμή από το ένα φορτίο στο άλλο. Ο όρος «δυνητικά» αναφέρεται στο ότι δεν μπορούν να παρατηρηθούν.

Δείτε επίσης

• Φως
• Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία
• Μποζόνιο

Βιβλιογραφία

• Alonso, M.· Finn, E.J. (1968). Fundamental University Physics. III: Quantum and Statistical Physics. Addison-Wesley. ISBN 978-0-201-00262-1. 
• Clauser, J.F. (1974). «Experimental distinction between the quantum and classical field-theoretic predictions for the photoelectric effect». Physical Review D 9 (4): 853–860. doi:10.1103/PhysRevD.9.853. Bibcode: 1974PhRvD...9..853C. http://www.escholarship.org/uc/item/3wm0v847. 
• Pais, A. (1982). Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press. 
• Feynman, Richard (1985). QED: The Strange Theory of Light and Matter. Princeton University Press. ISBN 978-0-691-12575-6. 
• Grangier, P.; Roger, G.; Aspect, A. (1986). «Experimental evidence for a photon anticorrelation effect on a beam splitter: A new light on single-photon interferences». Europhysics Letters 1 (4): 173–179. doi:10.1209/0295-5075/1/4/004. Bibcode: 1986EL......1..173G. 
• Lamb, W.E. (1995). «Anti-photon». Applied Physics B 60 (2–3): 77–84. doi:10.1007/BF01135846. Bibcode: 1995ApPhB..60...77L. 
• «Special supplemental issue». Optics and Photonics News 14. October 2003. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο στις 2013-05-17. https://web.archive.org/web/20130517065121/http://www.sheffield.ac.uk/polopoly_fs/1.14183!/file/photon.pdf. Ανακτήθηκε στις 2022-02-16. 
  • Roychoudhuri, C.; Rajarshi, R. (2003). «The nature of light: What is a photon?». Optics and Photonics News 14: S1 (Supplement). 
  • Zajonc, A. (2003). «Light reconsidered». Optics and Photonics News 14: S2–S5 (Supplement). 
  • Loudon, R. (2003). «What is a photon?». Optics and Photonics News 14: S6–S11 (Supplement). 
  • Finkelstein, D. (2003). «What is a photon?». Optics and Photonics News 14: S12–S17 (Supplement). 
  • Muthukrishnan, A.; Scully, M.O.; Zubairy, M.S. (2003). «The concept of the photon – revisited». Optics and Photonics News 14: S18–S27 (Supplement). 
  • Mack, H.; Schleich, W.P. (2003). «A photon viewed from Wigner phase space». Optics and Photonics News 14: S28–S35 (Supplement). 
• Glauber, R. (2005). «One Hundred Years of Light Quanta» (PDF). Nobel Prize. Physics Lecture. Αρχειοθετήθηκε από το πρωτότυπο (PDF) στις 23 Ιουλίου 2008. Ανακτήθηκε στις 29 Ιουνίου 2009. 
• Hentschel, K. (2007). «Light quanta: The maturing of a concept by the stepwise accretion of meaning». Physics and Philosophy 1 (2): 1–20. https://eldorado.tu-dortmund.de/handle/2003/24257. 
• Thorn, J.J.; Neel, M.S.; Donato, V.W.; Bergreen, G.S.; Davies, R.E.; Beck, M. (2004). «Observing the quantum behavior of light in an undergraduate laboratory». American Journal of Physics 72 (9): 1210–1219. doi:10.1119/1.1737397. Bibcode: 2004AmJPh..72.1210T. http://people.whitman.edu/~beckmk/QM/grangier/Thorn_ajp.pdf. 
• Bronner, P.; Strunz, Andreas; Silberhorn, Christine; Meyn, Jan-Peter (2009). «Interactive screen experiments with single photons». European Journal of Physics 30 (2): 345–353. doi:10.1088/0143-0807/30/2/014. Bibcode: 2009EJPh...30..345B. http://www.QuantumLab.de.