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.