Foton je vrsta elementarnega delca, ki tvori osnovno enoto elektromagnetnega sevanja, ki vključuje radijske valove, infrardečo, vidno svetlobo, ultravijolično, rentgenske in gama žarke. Fotoni nimajo mase, električnega naboja in potujejo s svetlobno hitrostjo. Za razliko od nekaterih delcev, kot so protoni in nevtroni, se ne domneva, da bi bili sestavljeni iz manjših komponent. Spadajo v razred delcev, ki so odgovorni za temeljne sile narave in nosijo elektromagnetno silo. V skladu s teorijo kvantne elektrodinamike je mogoče način, kako se električno nabiti delci obnašajo drug proti drugemu, opisati s fotoni.
Zdi se, da so poskusi, izvedeni v 19. stoletju, dokazali, da je svetloba sestavljena iz valov. V začetku 20. stoletja pa so drugi poskusi pokazali, da je sestavljen iz delcev. Čeprav se zdi protislovno, se svetloba in druge oblike elektromagnetnega sevanja dejansko obnašajo kot obe obliki. Fotoni so delci svetlobe, vendar imajo tudi valovne lastnosti, kot sta valovna dolžina in frekvenca.
Fotoni in snov
Snov lahko komunicira z delci svetlobe na več načinov. Elektron v atomu, na primer, lahko absorbira foton, zaradi česar ta skoči na višjo energijsko raven. Sčasoma se lahko elektron vrne na nižjo energijsko raven in odda dodatno energijo kot foton. Oko je sposobno zaznati svetlobo, ker določene molekule v mrežnici absorbirajo energijo fotonov v območju frekvenc vidne svetlobe. Ta energija se pretvori v električne impulze, ki potujejo po optičnem živcu v možgane.
V nekaterih primerih lahko elektroni absorbirajo sorazmerno visokoenergijske delce ultravijolične svetlobe, nato pa oddajajo energijo kot fotone z daljšo valovno dolžino vidne svetlobe, pojav, znan kot fluorescenca. Molekule lahko absorbirajo energijo pri infrardečih frekvencah, zaradi česar se več premikajo, kar povzroči zvišanje temperature; zato lahko predmete segrevamo s sončno svetlobo ali z električnim grelcem. Zelo visokoenergijski fotoni, kot so rentgenski žarki in gama žarki, imajo lahko uničujoč učinek na snov. Imajo dovolj energije, da odstranijo elektrone iz atomov, tvorijo pozitivno nabite ione in pretrgajo kemične vezi. Ti učinki povzročajo kemične spremembe, ki so lahko zelo škodljive za žive organizme.
Discovery
Koncept in odkritje fotona sta tesno povezana z razvojem kvantne teorije. Okoli leta 1900 je teoretični fizik Max Planck našel rešitev za problem, ki je že nekaj časa mučil znanstvenike, in je vključeval frekvence elektromagnetnega sevanja, ki ga oddaja predmet pri različnih temperaturah. Predlagal je, da energija prihaja v majhnih, nedeljivih enotah, ki jih je poimenoval kvante. Delo Alberta Einsteina o fotoelektričnem učinku leta 1905 je zagotovilo močne eksperimentalne dokaze, da so kvanti resnični. Šele leta 1926 pa je izraz »foton« prvič uporabil – kemik Gilbert N. Lewis – za opis kvantov svetlobe.
Energija in frekvenca
Planck je pokazal, kako je energija kvanta svetlobe povezana z njegovo frekvenco. Definiral je konstanto, znano kot Planckova konstanta, ki, ko se pomnoži s frekvenco svetlobnega kvanta, daje svojo energijo. Visokofrekvenčni fotoni, kot so fotoni rentgenskih žarkov, imajo zato več energije kot fotoni nizkih frekvenc, kot so radijski valovi. Planckova konstanta je izjemno majhna; vendar večina virov svetlobe proizvede ogromno število teh delcev, tako da je skupna energija lahko precejšnja.
Kvantna elektrodinamika
Ko se je razvila kvantna teorija, je postalo očitno, da morajo naravne sile na nek način prenašati sredstva, ki ne morejo potovati hitreje od svetlobe, in da je treba te agente »kvantizirati«: lahko obstajajo le kot večkratniki nedeljivih enot. Razmerje med svetlobo, elektriko in magnetizmom je bilo jasno razvidno že v 19. stoletju. Takrat pa so domnevali, da so svetloba in druge oblike elektromagnetnega sevanja sestavljene iz valov. Po odkritju fotonov se je razvila nova teorija, imenovana kvantna elektrodinamika, ki je pojasnila, kako fotoni prenašajo elektromagnetno silo.
Hitrost svetlobe
Fotoni vedno potujejo s svetlobno hitrostjo v vakuumu, kar je približno 186,000 milj (300,000 kilometrov) na sekundo. Po Einsteinovi teoriji posebne relativnosti noben materialni objekt ne more doseči te hitrosti, saj se masa povečuje s hitrostjo, tako da je za povečanje hitrosti potrebno vedno več energije. Fotoni potujejo s svetlobno hitrostjo, ker nimajo mase.
Svetloba se lahko upočasni, na primer, ko prehaja skozi steklo, vendar se posamezni svetlobni delci ne upočasnijo. Absorbirajo jih atomi, ki začasno pridobijo energijo in jo hitro spet sprostijo v obliki drugega fotona z enako frekvenco. To se večkrat zgodi, ko svetloba prehaja skozi steklo (ali kakšne druge snovi), in rahla zamuda med absorpcijo in sproščanjem energije pomeni, da delci potrebujejo več časa, da preidejo skozi, kot bi prešli skozi zrak ali vakuum. Vsak foton pa vedno potuje s svetlobno hitrostjo.
Posebna teorija relativnosti kaže, da ima potovanje s hitrostjo blizu svetlobe nekaj čudnih posledic. Na primer, čas se upočasni glede na predmete, ki se ne premikajo, učinek, znan kot časovna dilatacija. Če astronavt pospeši stran od Zemlje tik pod svetlobno hitrostjo, nato pa se vrne leto pozneje – po njegovem koledarju – lahko ugotovi, da je na Zemlji minilo deset let. Astronavtu ni mogoče doseči svetlobne hitrosti, vendar je veliko ljudi ugibalo, kaj pomeni časovna dilatacija za fotone. Po posebni teoriji relativnosti se mora čas popolnoma ustaviti.
Človek, ki gleda v galaksijo Andromeda, ki je oddaljena 2.2 milijona svetlobnih let, vidi fotone, ki so – z njenega vidika – prepotovali 2.2 milijona svetlobnih let in za to potrebovali 2.2 milijona let. Lahko pa rečemo, da z vidika fotonov potovanje sploh ni trajalo in da je prevožena razdalja dejansko nič. Ker je vsak svetlobni delec »rojen« v zvezdi in obstaja, dokler ne zadene v astronomovo mrežnico, bi lahko rekli tudi, da z lastnega vidika foton obstaja nič časa in zato sploh ne obstaja. Vendar pa je soglasje med znanstveniki, da preprosto ni smiselno razmišljati o delcih svetlobe, kot da imajo stališče ali karkoli “izkušajo”.