Fotoni (γ) — valohiukkanen, energia ja peruskäsitteet
Tutustu fotoniin (γ): valohiukkasen luonne, energia ja taajuusriippuvuus sekä kvanttimekaniikan ja suhteellisuusteorian keskeiset peruskäsitteet.
Fotonit (kreikankielisestä sanasta φως, joka tarkoittaa valoa) ovat sähkömagneettisen säteilyn kvantteja: niillä on sekä hiukkas- että aaltoluonne ja ne kuljettavat valoa avaruudessa. Fotonit esiintyvät monissa fysiikan ja erityisesti atomimalleissa kuvauksissa hiukkasina, jotka lähettävät ja vastaanottavat valoa. Ne ovat alkeishiukkasia ja samalla antihiukkasensa, eli fotonin antihiukkanen on itse fotoni.
Perusominaisuudet
Fotonilla on useita tunnusomaisia piirteitä:
- Lepomassa: fotonin lepomassa on nolla, eli se ei voi levätä paikallaan.
- Nopeus: vapaan tilan fotoni etenee tyhjiössä valonnopeudella c.
- Energia ja taajuus: kvanttimekaniikan mukaan kukin fotoni kantaa energiaa E = hν, missä h on Planckin vakio ja ν (nu) on valon taajuus. Korkeamman taajuuden fotonilla on enemmän energiaa, ja se vastaa lyhyempää aallonpituutta.
- Liikemäärä: vaikka lepomassa on 0, fotonilla on liikemäärää p = E/c = h/λ.
- Spin ja luokittelu: fotoni on bosoni (kokonaislukuinen spin), tarkemmin spin-1-partikkeli ja sähkömagneettisen vuorovaikutuksen kantaja eli gauge-bosoni.
- Sähkövaraus: fotonilla ei ole sähkövarausta.
- Antihiukkanen: fotonin oma antihiukkasensa on identtinen itse fotonin kanssa.
Energian, aallonpituuden ja taajuuden yhteydet
Käytännössä fotonin energia liittyy taajuuteen kaavalla E = hν. Aallonpituuden λ ja taajuuden välillä pätee ν = c/λ tyhjiössä, joten energia voidaan myös kirjoittaa E = hc/λ. Näistä riippuvuuksista seuraa, että lyhytaaltoisemmassa säteilyssä (esim. röntgen- tai gamma-säteily) yksittäisellä fotonilla on suurempi energia kuin näkyvän valon fotonilla.
Aaltoluonne, polarisaatio ja kvanttikäyttäytyminen
Valon aaltoluonteesta kertovat interferenssi ja diffraktio, mutta fotonien hiukkasluonne ilmenee esimerkiksi valosähköisessä ilmiössä, jossa yksittäinen fotoni irrottaa elektronin aineesta. Tätä Itävaltalainen selitystä kehitti mm. Einsteinin mukaan: ennen fotonin nimeämistä Einstein ehdotti, että valo voi esiintyä erillisinä energetisina paloina — näitä kutsutaan fotoneiksi ja ne selittävät mm. Einsteinin mukaan optiset ilmiöt kuten valosähköisen efektin.
Valolla on myös polarisaatio (suunta, jossa sähkökenttä värähtelee). Polarisaatiota käytetään mm. optisissa laitteissa ja tietoliikenteessä.
Vuorovaikutukset ja ilmiöt
Fotonit voivat syntyä ja hävitä aineen kanssa tapahtuissa prosesseissa:
- Emission ja absorptio: atomit ja molekyylit voivat emittoida tai absorboida fotoneja energiatasojen vaihteluiden seurauksena (spontaani ja stimuloitu emissio — lasertekniikan perusta).
- Valosähköinen ilmiö: yksittäinen fotoni voi irrottaa elektronin metallista, mikä oli keskeinen todiste kvanttiteoriasta.
- Comptonin sironta: fotonin ja elektronin törmäyksessä fotonin energia ja suunta muuttuvat.
- Pair-production (parituotanto): riittävän korkeassa energiassa fotoni voi muuttua elektroniksi ja positroniksi ydinkentässä.
Fotonit kvanttikentässä ja käytännön merkitys
Kvanttikenttäteoriassa fotoni on sähkömagneettisen kentän kvantti, ja sen luomis- ja annihilaatioprosessit kuvataan kenttäoperaattoreilla. Fotoneilla ei ole omaa sisäistä säilyvää määrää — niiden lukumäärä voi muuttua vuorovaikutusten seurauksena.
Käytännössä fotonit ovat keskeisiä monissa sovelluksissa: visible-valo mahdollistaa näkemisen; laserit, optinen viestintä ja tietoliikenne perustuvat fotonien hallintaan; korkeaenerginen fotonsäteily (röntgen- ja gamma-säteily) on tärkeää lääketieteellisessä kuvantamisessa ja teollisuudessa; sekä fotonien vuorovaikutus fotosynteesissä on elinehto elämästä maapallolla.
Fotonille annetaan yleensä symboli γ (gamma), etenkin kun viitataan korkeaenergiseen sähkömagneettiseen säteilyyn (gamma-säteily). Fotonien kuvaus yhdistää klassisen sähkömagneettisen teoriankin ja kvanttimekaniikan näkökulmat: Maxwellin yhtälöt kuvaavat sähkömagneettisia kenttiä makrotasolla, kun taas kvanttiteoria selittää yksittäisten fotonien energiaa, vuorovaikutuksia ja todennäköisyyksiä.
Yhteenveto
Fotonit ovat sähkömagneettisen säteilyn perustavanlaatuisia kvantteja: niillä ei ole lepomassaa, ne kuljettavat energiaa ja liikemäärää, niillä on sekä aaltomaisia että hiukkasmaisia ominaisuuksia, ja ne ovat keskeisiä fyysisten ilmiöiden ja teknologioiden kannalta.
Laser lähettää fotoneja.
Ominaisuudet
Fotonit ovat perushiukkasia. Vaikka niitä voidaan luoda ja tuhota, niiden elinikä on ääretön.
Tyhjiössä kaikki fotonit liikkuvat valon nopeudella c, joka on 299 792 458 metriä (noin 300 000 kilometriä) sekunnissa.
Fotonilla on tietty taajuus, joka määrittää sen värin. Radiotekniikka hyödyntää taajuutta paljon. Näkyvän alueen ulkopuolella taajuudesta puhutaan vähemmän, ja sitä käytetään esimerkiksi vain vähän röntgenfotonien ja infrapunan erottamiseen toisistaan. Taajuus vastaa fotonin kvanttienergiaa, johon liittyy Planckin vakioyhtälö,
jossa 
on fotonin energia, 
on Plankin vakio ja 
on fotoniin liittyvän valon taajuus. Tämä taajuus, , mitataan tyypillisesti sykleinä sekunnissa tai vastaavasti Hz:nä. Eri fotonien kvanttienergiaa käytetään usein kameroissa ja muissa laitteissa, jotka käyttävät näkyvää ja näkyvää suurempaa säteilyä. Tämä johtuu siitä, että nämä fotonit ovat riittävän energisiä ionisoimaan atomeja.
Toinen fotonin ominaisuus on sen aallonpituus. Taajuus , aallonpituus ja valon nopeus 
liittyvät toisiinsa yhtälön avulla,
,
jossa 
(lambda) on aallonpituus eli aallon pituus (tyypillisesti mitattuna metreinä).
Toinen tärkeä fotonin ominaisuus on sen napaisuus. Jos näkisit jättimäisen fotonin tulevan suoraan kohti, se voisi näkyä pystysuorana, vaakasuorana tai jossain siltä väliltä. Polarisoidut aurinkolasit estävät ylös- ja alaspäin heiluvia fotoneja kulkemasta ohi. Näin ne vähentävät häikäisyä, sillä pinnoista kimpoileva valo pyrkii lentämään tuohon suuntaan. Nestekidenäytöt käyttävät myös polariteettia ohjaamaan, mikä valo kulkee läpi. Jotkut eläimet voivat nähdä valon polarisaation.
Fotonilla on myös ominaisuus, jota kutsutaan spiniksi. Spin liittyy valon kiertopolarisaatioon.
Fotonien vuorovaikutukset aineen kanssa
Valo syntyy tai absorboituu usein, kun elektroni saa tai menettää energiaa. Tämä energia voi olla lämpöä, liike-energiaa tai muuta energiaa. Esimerkiksi hehkulamppu käyttää lämpöä. Energian lisääntyminen voi työntää elektronin yhden tason ylöspäin kuoressa, jota kutsutaan "valenssiksi". Tämä tekee siitä epävakaan, ja kuten kaikki muutkin, se haluaa olla matalimmassa energiatilassa. (Jos alhaisimmassa energiatilassa oleminen on hämmentävää, ota kynä ja pudota se. Kun kynä putoaa maahan, se on alhaisimmassa energiatilassa). Kun elektroni putoaa takaisin alempaan energiatilaan, sen on vapautettava siihen osunut energia, ja sen on noudatettava energian säilymistä (energiaa ei voi luoda eikä tuhota). Elektronit vapauttavat tämän energian fotoneina, ja suuremmilla intensiteeteillä tämä fotoni voidaan nähdä näkyvänä valona.
Fotonit ja sähkömagneettinen voima
Hiukkasfysiikassa fotonit ovat vastuussa sähkömagneettisesta voimasta. Sähkömagnetismi on ajatus, jossa yhdistyvät sähkö ja magnetismi. Yksi yleinen tapa, jolla koemme sähkömagnetismin jokapäiväisessä elämässämme, on valo, joka johtuu sähkömagnetismista. Sähkömagnetismi vastaa myös varauksesta, minkä vuoksi et voi työntää kättäsi pöydän läpi. Koska fotonit ovat sähkömagnetismin voimaa kantavia hiukkasia, ne ovat myös mittasuhdebosoneja. Sähkömagnetismin ei uskota vaikuttavan joihinkin aineisiin, joita kutsutaan pimeäksi aineeksi. Tämä tarkoittaisi, että pimeällä aineella ei ole varausta eikä se säteile valoa.
Aiheeseen liittyvät sivut
| |||||||||||||
| Komposiitti |
| ||||||||||||
| |||||||||||||
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on fotoni?
A: Fotoni on alkeishiukkanen, joka lähettää valoa ja on oma antihiukkasensa.
K: Miten fotonin energia riippuu taajuudesta?
V: Fotonin energia liittyy sen taajuuteen, ja korkeamman taajuuden fotoneilla on enemmän energiaa ja ne liittyvät lyhyempiin aallonpituuksiin.
K: Kuka ehdotti, että valo koostuu erillisistä energiapalasista (hiukkasista)?
V: Albert Einstein ehdotti, että valo koostuu erillisistä energiapaloista (hiukkasista).
K: Mitä symbolia käytetään yleensä kuvaamaan fotonia?
V: Fotonia kuvataan yleensä symbolilla م (gamma).
K: Onko fotonilla massaa?
V: Ei, fotoneilla ei ole lepomassaa. Einsteinin suhteellisuusteorian mukaan niillä on kuitenkin impulssi.
Etsiä