Foton - Polski Serwis Naukowy

Ten artykuł dotyczy cząstki elementarnej. Zapoznaj się również z: Foton (ujednoznacznienie).

Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος, nazwa stworzona przez Gilberta N. Lewisa) jest cząstką elementarną nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy są równocześnie falą elektromagnetyczną.

Język grecki albo greka — język indoeuropejski z grupy helleńskiej, w starożytności ważny język basenu Morza Śródziemnego. W cywilizacji Zachodu zaadaptowany obok łaciny jako język terminologii naukowej, wywarł wpływ na wszystkie współczesne języki europejskie, a także część pozaeuropejskich i starożytnych. Od X wieku p.n.e. zapisywany jest alfabetem greckim. Obecnie, jako język nowogrecki, pełni funkcję języka urzędowego w Grecji i Cyprze. Jest też jednym z języków oficjalnych Unii Europejskiej. Po grecku mówi współcześnie około 15 milionów ludzi.

Masa spoczynkowa (in. masa niezmiennicza lub po prostu masa) - wielkość fizyczna w fizyce relatywistycznej, charakteryzująca ciało bądź układ ciał, która nie zależy od układu odniesienia. W dowolnym układzie odniesienia, masa spoczynkowa jest wyznaczona przez energie i pędy wszystkich ciał.

W fizyce foton jest kwantem pola elektromagnetycznego, np. widzialnego światła. W mechanice kwantowej pole elektromagnetyczne zachowuje się jak zbiór cząstek (fotonów). Z kwantowego punktu widzenia światło jest dużym strumieniem fotonów. Bardzo czułe instrumenty optyczne potrafią rejestrować pojedyncze fotony.

Fale radiowe (promieniowanie radiowe) – promieniowanie elektromagnetyczne, które może być wytwarzane przez prąd przemienny płynący w antenie. Uznaje się, że falami radiowymi są fale o częstotliwości 3 kHz – 3 THz (3·103 – 3·1012 Hz). Wg literatury zachodniej zakres częstotliwości obejmuje fale od 3 Hz. Zależnie od długości dzielą się na pasma radiowe.

Częstotliwość określa liczbę cykli zjawiska okresowego występujących w jednostce czasu. W układzie SI jednostką częstotliwości jest herc (Hz). Częstotliwość 1 herca odpowiada występowaniu jednego zdarzenia (cyklu) w ciągu 1 sekundy. Najczęściej rozważa się częstotliwość w ruchu obrotowym, częstotliwość drgań, napięcia, fali.

W zależności od energii fotonów promieniowanie, na które się składają, ma inną nazwę. I tak mówi się (poczynając od najwyższej energii fotonu) o promieniowaniu gamma, rentgenowskim (promieniowaniu X), ultrafiolecie, świetle widzialnym, promieniowaniu podczerwonym (podczerwieni), mikrofalach, falach radiowych (promieniowaniu radiowym). Jednak z fizycznego punktu widzenia wszystkie te rodzaje promieniowania mają jednakową naturę.

Kartezjusz (fr. René Descartes, łac. Renatus Cartesius, ur. 31 marca 1596 r. w La Haye-en-Touraine w Turenii, zm. 11 lutego 1650 r. w Sztokholmie) – francuski matematyk, filozof i fizyk, jeden z najwybitniejszych uczonych XVII wieku, uważany za prekursora nowożytnej kultury umysłowej.

Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi dla wszystkich wielkości przeszkód, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Fotony poruszają się z prędkością światła. W próżni fotony mogą pokonywać dystanse wielu miliardów lat świetlnych, poruszając się po torach lekko tylko zakrzywianych przez pola grawitacyjne ciał niebieskich. Zakrzywienie to, przy odpowiedniej konfiguracji źródła i masy powodującej zakrzywienie, może prowadzić do efektu soczewkowania grawitacyjnego. Jedynie czarne dziury mają wystarczająco silne pole grawitacyjne, by móc uwięzić światło wewnątrz horyzontu zdarzeń.

Energia gr. ενεργεια (energeia) – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca pod względem ilościowym stan układu fizycznego (materii) (z punktu widzenia termodynamiki niektóre formy energii są funkcjami stanu i potencjałami termodynamicznymi), stan i wzajemne oddziaływania obiektów fizycznych (ciał, pól, cząstek, układów fizycznych), przemiany fizyczne i chemiczne oraz wszelkiego rodzaju procesy występujące w przyrodzie.

Doświadczenie Younga – eksperyment polegający na przepuszczeniu światła spójnego przez dwie blisko siebie położone szczeliny i obserwacji obrazu powstającego na ekranie. Wskutek interferencji na ekranie powstają jasne i ciemne prążki w obszarach, w których światło jest wygaszane lub wzmacniane.

Historia

Doświadczenie Younga z 1805 roku pokazało, że światło może zachowywać się jak fala, co pomogło w zwalczaniu wczesnych cząsteczkowych modeli światła.

Aż niemal do końca XVII wieku większość teorii zakładała, że światło składa się z cząstek. Ponieważ model cząsteczkowy nie może łatwo wyjaśnić załamania, dyfrakcji i dwójłomności, powstały teorie o falowej naturze światła, zaproponowane przez Kartezjusza (1637), Roberta Hooke’a (1665) oraz Christiaana Huygensa (1678). Pomimo to wciąż dominowały modele cząsteczkowe, głównie z powodu wpływu Isaaca Newtona. Na początku dziewiętnastego wieku Thomas Young i Augustin-Jean Fresnel zademonstrowali dyfrakcję oraz interferencję światła i od 1850 roku modele falowe zostały powszechnie zaakceptowane. W 1865 roku James Clerk Maxwell wysunął przypuszczenie, że światło jest falą elektromagnetyczną. Hipoteza ta została potwierdzona eksperymentalnie w 1889 roku przez Heinricha Hertza, który odkrył fale radiowe. To ostatecznie zadecydowało o odrzuceniu cząsteczkowego modelu światła.

Soczewkowanie grawitacyjne – zakrzywienie promieni świetlnych w polu grawitacyjnym masywnego ciała niebieskiego prowadzące do ich skupienia. Efektem soczewkowania grawitacyjnego jest obserwowane pojaśnienie źródła oraz pojawianie się pozornych ciał niebieskich – obrazów ciał rzeczywistych.

Arthur Holly Compton (ur. 10 września 1892 w Wooster, Ohio, zm. 15 marca 1962 w Berkeley, Kalifornia) - amerykański fizyk, laureat Nagrody Nobla w 1927 za badania które doprowadziły do odkrycia zjawiska nazwanego jego imieniem.

Fala elektromagnetyczna

Teoria falowa Maxwella nie wyjaśnia jednak wszystkich własności światła. Teoria ta przewiduje, że energia fali świetlnej zależy wyłącznie od jej natężenia i nie ma związku z jej częstotliwością. Pomimo to szereg różnych, niezależnych eksperymentów pokazuje, że energia przekazywana atomom przez światło zależy wyłącznie od częstotliwości światła, a nie od jego natężenia. Na przykład niektóre reakcje chemiczne są wyzwalane tylko przez światło o częstotliwości wyższej od pewnej wartości progowej, a światło o częstotliwości niższej od progowej, bez względu na jego natężenie, nie zapoczątkuje reakcji. Podobnie elektrony mogą zostać wybite z metalowej płytki przez oświetlanie jej światłem o wystarczająco wysokiej częstotliwości (efekt fotoelektryczny), a maksymalna energia wybitych elektronów zależy jedynie od częstotliwości światła.

Promieniowanie rentgenowskie (w wielu krajach nazywane promieniowaniem X lub promieniami X) – rodzaj promieniowania elektromagnetycznego, którego długość fali mieści się w zakresie od 10 pm do 10 nm. Zakres promieniowania rentgenowskiego znajduje się pomiędzy ultrafioletem i promieniowaniem gamma. Znanym skrótem nazwy jest promieniowanie rtg.

Robert Hooke (ur. 18 lipca 1635, zm. 3 marca 1703) – angielski przyrodnik, jeden z największych eksperymentatorów XVII wieku. Był synem pastora, urodził się w angielskiej miejscowości Freshwater na wyspie Wight.

W tym samym czasie, badania nad promieniowaniem ciała doskonale czarnego prowadzone przez ponad cztery dekady (1860 – 1900) przez wielu badaczy zostały uwieńczone hipotezą Maxa Plancka, głoszącą, że energia wypromieniowywana przez ciało doskonale czarne jest w postaci cząstek. Jak wykazał to Albert Einstein, pewien rodzaj kwantyzacji energii musi być założony, by wyjaśnić równowagę termiczną zachodzącą pomiędzy materią a promieniowaniem elektromagnetycznym (której nie ma od kilku lub kilkunastu miliardów lat).

Pole elektromagnetyczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pola te są wzajemnie związane a postrzeganie ich zależy też od obserwatora, wzajemną relację pól opisują równania Maxwella. Własności pola elektromagnetycznego, jego oddziaływanie z materią bada dział fizyki zwany elektrodynamiką. W mechanice kwantowej pole elektromagnetyczne jest postrzegane jako wirtualne fotony.

Ultrafiolet (UV, promieniowanie ultrafioletowe, nadfiolet) – . Słowo "ultrafiolet" oznacza "powyżej fioletu" i utworzone jest z łacińskiego słowa "ultra" (ponad) i słowa "fiolet" oznaczającego barwę o najmniejszej długości fali w świetle widzialnym. Dawniej było nazywane promieniowaniem "pozafiołkowym".

Ponieważ teoria światła Maxwella dopuszczała wszystkie możliwe energie promieniowania elektromagnetycznego, większość fizyków przypuszczała początkowo, że energia kwantyzacji jest rezultatem pewnego nieznanego ograniczenia dla materii, która pochłania lub emituje światło. W 1905 roku Einstein zasugerował jako pierwszy, że energia kwantyzacji jest własnością samego promieniowania elektromagnetycznego. Chociaż Einstein uważał teorię Maxwella za słuszną, wskazał, że wiele niewytłumaczalnych eksperymentów mogłoby być wyjaśnione gdyby energia maxwellowskiej fali świetlnej była zlokalizowana w punktowych kwantach, poruszających się niezależnie od siebie, nawet jeżeli sama fala rozprzestrzenia się w sposób ciągły w przestrzeni. W 1909 i 1916 roku Einstein wykazał, że jeśli prawo Plancka opisujące promieniowanie ciała doskonale czarnego jest słuszne, kwanty energii muszą mieć pęd $p=\frac{h}{\lambda}$ , co czyni je pełnoprawnymi cząstkami. Pęd fotonu został zaobserwowany eksperymentalnie przez Artura Comptona w rozpraszaniu wysokoenergetycznych fotonów na swobodnych elektronach. Fotony w takim oddziaływaniu zachowują się jak cząstki, a układ foton – elektron w zderzeniu zachowuje pęd i energię. Po kwantowym wyjaśnieniu zjawiska fotoelektrycznego, był to kolejny dowód na istnienie fotonów. Arthur Compton za odkrycie tego zjawiska (nazwanego od jego nazwiska efektem Comptona) otrzymał w 1927 roku Nagrodę Nobla. Kluczowe pytanie w tym okresie brzmiało: jak połączyć maxwellowską falową teorię światła z jego cząsteczkową naturą, zaobserwowaną eksperymentalnie? Odpowiedź na to pytanie zaprzątała Alberta Einsteina przez resztę jego życia, a została znaleziona przez elektrodynamikę kwantową i jej następcę, Model Standardowy.

Fala - zaburzenie rozprzestrzeniające się w ośrodku lub przestrzeni. Fale przenoszą energię z jednego miejsca do drugiego bez transportu jakiejkolwiek materii. W przypadku fal mechanicznych cząstki ośrodka, w którym rozchodzi się fala, oscylują wokół położenia równowagi.

Sir Isaac Newton (ur. 4 stycznia 1643 w Woolsthorpe-by-Colsterworth, zm. 31 marca 1727 w Kensington) – angielski fizyk, matematyk, astronom, filozof, historyk, badacz Biblii i alchemik.

Zobacz też

Zobacz hasło foton w Wikisłowniku

oddziaływanie elektromagnetyczne