Czym są fotony?

Historia badań nad fotonem

14 grudnia 1900 roku Max Planck w trakcie wystąpienia na posiedzeniu Towarzystwa Fizycznego w Berlinie przedstawił teorię, która opisuje emisję oraz absorpcję promieniowania elektromagnetycznego przez ciało doskonale czarne. Fizyk otrzymał zgodność wyników pomiarów z obliczeniami, co wcześniej się nie zdarzyło. Planck zakładał, że energia wypromieniowywana jest z ciała doskonale czarnego i pochłaniana przez nie w postaci dokładnie określonych cząstek energii, czyli fotonów. Wyniki jego badań pokazały, że energia ma charakter nieciągły, a nie ciągły jak sądzono wcześniej. Badania Plancka zrewolucjonizowały dalsze badania nad promieniowaniem elektromagnetycznym.

Foton - podstawowa definicja

Fotony są cząstkami promieniowania elektromagnetycznego. Powstają w całej objętości Słońca. Te, które docierają na naszą planetę jako fale światła, nie powstają we wnętrzu słońca, tylko na zewnątrz gwiazdy. Bez fotonów życie na Ziemi nie mogłoby istnieć. Dotyczy to także energii elektrycznej produkowanej przez panele fotowoltaiczne.

Jak powstaje foton?

Do powstania fotonów dochodzi głęboko w jądrze Słońca w ramach reakcji syntezy jądrowej. Wodór przekształca się w hel, co z kolei prowadzi do wytworzenia się znacznej ilości energii. Fotony tworzące się w środku Słońca są absorbowane przez znajdujące się w pobliżu atomy, które wyrzucają następne atomy. Właśnie tak dochodzi to przeniesienia energii poza kulistą powłokę Słońca, na powierzchnię. Proces ten fachowo nazywa się remisją. Badania naukowców wskazują, że może on trwać nawet kilka milionów lat.

Strumień fotonów, który niesie ze sobą energię, jest także jednocześnie falą promieniowania elektromagnetycznego - światłem. Jak wiadomo, życie na naszej planecie bez światła nigdy nie mogłoby istnieć. Światło odpowiada na Ziemi za całą masę reakcji biologicznych i fizycznych, chociażby fotosyntezę. Foton to cząstka elementarna należąca do rodziny bozonów. Fotony nie posiadają masy, nie mają żadnej materii, ale pełnią funkcję nośnika wszelkiego rodzaju oddziaływań. Fotony posiadają zerową masę spoczynkową i liczbie spinowej (s) o wartości 1. Cechą charakterystyczną fotonów jest fakt, iż wykazują dualizm korpuskularno-falowy - oznacza to, że mają jednocześnie właściwości cząstki oraz fali elektromagnetycznej. Cała energia niesiona przez światło jest kwantowana. Oznacza to, że przesyłana jest w kwantach energii określanych jako fotony. Energia jednego fotonu jest wprost proporcjonalna do częstotliwości światła.

Absorpcja fotonu przez atom

Gdy zachodzi absorpcja fotonu przez atom, może to spowodować następujące zjawiska:

•    opuszczenie cząsteczki bądź atomu przez wzbudzony elektron oraz przyjęcie go przez cząsteczkę akceptora elektronów (najczęściej w ramach procesu fotosyntezy),
•    fotoefekt jądrowy bądź zjawisko fotoelektryczne - są to zjawiska polegające na emisji elektronów z powierzchni danego przedmiotu,
•    fluorescencja - jest to zjawisko polegające na emitowaniu światła przez wzbudzoną cząsteczkę lub atom przy przejściu elektronu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego. Część energii jest rozpraszana w postaci fali promieniowania o większej fali niż fala światła pochłoniętego.

Fotony - najważniejsze wzory, które warto znać

Wzór na energię pojedynczego fotonu stworzony w 1900 roku przez Maxa Plancka jest następujący:

E = hv

gdzie:

v - częstotliwość fali świetlnej

h - stała Placka (h=6,63·10-34J·s).

Z kolei częstotliwość fali świetlnej jest odwrotnie proporcjonalna do jej długości. Oto wzór:

V = c/λ

gdzie:

λ - długość fali świetlnej

c - prędkość swiatła w próżni (c = 3*108 m/s).