Fotons

Piemēram, fotonus emitē koherenti lāzera stari.

Fotons (sengrieķu: φῶς, phōs — ‘gaisma’) ir elementārdaļiņa, elektromagnētiskā lauka kvants, kā arī gaismas un visu citu elektromagnētiskā starojumu veidu pamatvienība. Tas ir arī elektromagnētiskā spēka nesējs. Šis spēks ir viegli novērojams makroskopiskās parādībās, sākot no saules gaismas līdz pat radiotelefoniem, bet tai pašā laikā fotonam nav miera masas un tas var veikt ļoti lielus attālumus. Tāpat kā visas citas elementārdaļiņas, fotons tiek apskatīts kvantu mehānikā, un tā ir daļiņu fizikas standartmodeļa vecākā daļa. Fotoni izrāda viļņu—daļiņu dualitāti, tas ir, fotoniem piemīt gan viļņu, gan daļiņas īpašības. Piemēram, viens fotons var veikt gaismas laušanu lēcās, bet tikpat labi tas var parādīt viļņu interferenci, kā arī tā parāda savu daļiņas dabu, kas dod noteiktu rezultātu, kad nosaka tās atrašanās vietu.

Mūsdienu fotona jēdzienu pakāpeniski attīstīja (1905—1917) Alberts Einšteins, izskaidrojot eksperimentālus novērojumus, kuri neatbilda gaismas klasiskajam viļņu modelim. Konkrētāk, fotona modelis noteica saistību ar gaismas enerģiju un izskaidroja vielas un starojuma iespējamību, atrodoties siltuma līdzsvarā. Citi fiziķi tiecās izskaidrot šos anomālos novērojumus ar pusklasiskajiem modeļiem, kuros gaisma joprojām tika aprakstīta ar Maksvela vienādojumiem, bet materiālie priekšmeti, kuri emitēja un absorbēja gaismu, ir kvantēti. Kaut arī šie pusklasiskie modeļi sekmēja kvantu fizikas attīstību, tālāki eksperimenti pierādīja Einšteina hipotēzi, ka gaisma pati ir kvantēta; gaismas kvants ir fotons.

Fotoni veido elektromagnētisko lauku, t.i., fotons ir "gaismas daļiņa". Parasti fotonus saista ar redzamo gaismu, kas gan ir tikai ļoti neliela daļa no elektromagnētiskā spektra. Lai gan fotoniem nepiemīt miera masa, tiem ir enerģija. Tā kā tiem ir enerģija, tad vispārīgā relativitātes teorija apgalvo, ka tos ietekmē gravitācija. Tas ir eksperimentāli pierādīts. Fotoniem nav arī elektriskā lādiņa. Fotons tiek izstarots brīdī, kad elektrons ap atoma kodolu pāriet no augstāka enerģijas līmeņa uz zemāku.

Fotona spins ir 1, tātad tas ir bozons. Fotonam nepiemīt paātrinājums, jo tie jau sākotnēji izplatās ar gaismas ātrumu, t.i., 299 792 458 m/s.

Fotona enerģija

Gaismas kvantiem piemīt enerģija un šie kvanti lielā daudzumā nemitīgi bombardē apkārt esošus priekšmetus. Tomēr viena gaismas kvanta enerģija ir ļoti niecīga, tāpēc redzamu seku šīm sadursmēm nav. Tomēr ir situācijas, kad fotonu triecieni ir jāņem vērā. Elektronu izsišanu, no metālu virsmas, triecienu rezultātā sauc par fotoefektu.

Fotona enerģija ir atkarīga no starojuma frekvences, kuru var aprēķināt pēc sakarības: $E=h\nu$, kur

$\nu$ — starojuma frekvence, Hz

$h$ — Planka konstante, J·s

Planka konstante $h\approx 6,62607015\cdot 10^{-34}$J·s ir viena no mikropasaules fundamentālajām (pamata) konstantēm.

Fotoefekts

Fotoefektu pirmais izskaidroja Alberts Einšteins (par to saņāma Nobela prēmiju). Enerģijas nezūdamības likumu, kas uzrakstīts fotoefektam, sauc par Einšteina vienādojumu:

$h\nu =A+{\frac {mv^{2}}{2}}$, kur

$A$ — elektronu izejas darbs, J

$v$ — elektrona ātrums pēc izsišanas, m/s

Dažādu krāsu gaismai ir dažādas frekvences, piemēram, sarkanajai krāsai ir mazāka frekvence nekā zilajai krāsai. Līdz ar to, arī sarkanās krāsas gaismas fotoniem ir mazāka enerģija, nekā zilās krāsas gaismas fotoniem. Kvanti raksturo dažāda viļņa garuma elektromagnētiskajam starojumam. Līdz ar to, ka atšķiras viļņu garumi, atšķiras arī elektromagnētisko starojumu kvantu enerģija. Fotoefektu spēcīgi ietekmē divas krītošās gaismas īpašības : gaismas kvanta enerģija un krītošās gaismas intensitāte. Gaismas stiprumu var aprēķināt pēc formulas

$I={\frac {\Phi }{\Omega }}$, kur

$\Phi$ — gaismas plūsma, lm

$\Omega$ — telpas leņķis, sr

Mazākam gaismas stiprumam atbilst mazāks daļiņu skaits, kas laika vienībā triecas pret virsmu. Pieaugot gaismas stiprumam, pieaug arī fotoefekta apmēri.

Fotoefektā liela nozīme ir tam, cik lielu efektu spēj radīt viens gaismas kvants. Mainot viļņa garumu no mazāka uz lielāku, būs tāds viļņa garums, pie kura fotoefekts vairs nenotiek. Maksimālo viļņa garumu, pie kura vēl notiek fotoefekts, sauc par fotoefekta sarkano robežu.

Fotoefektu iedala divos veidos: iekšējais un ārējais.

Ārējais fotoefekts

Ārējais fotoefekts par tādu tiek saukts tādēl, ka rezultāts ir novērojams ārpus materiāla. Fotoefekts, kas norisinās gaismas vilnī, arī ir ārējais fotoefekts.

Iekšējais fotoefekts

Par iekšējo fotoefektu sauc tādu, kuram fotoefekta rezultātā izmaiņas notiek pašā materiālā. Iekšējais fotoefekts notiek materiālos, kuriem nav brīvo elektronu. Ja šos materiālus apstaro ar elektromagnētisko starojumu, tad fotoni var izsist elektronus no vietas. Tādā veidā materiālam paaugstinās elektrovadītspēja.

Fotoefekta izmantošana

Fotoefektu var izmantot, lai pastiprinātu vāju signālu, piemēram, elektromagnētiskajam starojumam, ko izstaro atomi un molekulas. Šāda signāla pastiprināšanai tiek izmantota arī Geigera skaitītājos, kas mēra radiācijas līmeni.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Fotons.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)
• Krievijas Lielās enciklopēdijas raksts (krieviski)