Fotoni

Fotoni
Symboli	$\gamma$
Rakenne	Alkeishiukkanen
Perhe	Bosoni
Ryhmä	Mittabosoni
Vuorovaikutus	Sähkömagneettinen vuorovaikutus
Löydetty teoreettisesti	Albert Einstein
Elinaika	Stabiili
Sähkövaraus	0
Spin	1
Infobox OK

Fotoni eli valokvantti tai valohiukkanen on sähkömagneettisen vuorovaikutuksen välittäjähiukkanen (mittabosoni). Tyhjiössä fotoni kulkee vakionopeudella c = 299 792 458 m/s, eli noin 300 000 km sekunnissa. Fotonilla ei ole lepomassaa eikä sähkövarausta (tai varaus on ainakin alle 10⁻⁴⁶ kertaa alkeisvaraus). Sen kuljettama energia ja liikemäärä ovat verrannollisia säteilyn taajuuteen. Aineen kohdatessaan fotoni hidastuu tai absorboituu. Fotoneilla on sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia. Fotonin spin on 1.

Näkyvä valo koostuu fotoneista, kuten kaikki sähkömagneettinen säteily: radioaallot, infrapuna- ja ultraviolettivalo sekä röntgen- ja gammasäteily. Fotoneilla on erilaisia aalto- ja hiukkasluonteen yhteisiä ominaisuuksia. Niitä ovat mm. emissio, absorptio, taittuminen ja heijastuminen.

Modernin fotonin mallin kehitti Albert Einstein vuosien 1905 ja 1917 välillä selittämään kokeiden tuloksia, jotka eivät käyneet yhteen perinteisen valon aaltomallin kanssa. Erityisesti fotoniteoria sisälsi energian riippuvuuden valon aallonpituudesta ja selitti aineen ja säteilyn kyvyn olla termodynaamisessa tasapainossa. Muut fyysikot yrittivät selittää näitä puoliklassisilla malleilla, joissa valoa kuvattiin edelleen Maxwellin yhtälöillä, mutta valoa emittoivat tai absorboivat esineet oli kvantisoitu. Vaikka puoliklassiset mallit edistivät kvanttimekaniikan kehitystä, kokeet osoittivat todeksi Einsteinin hypoteesin valon hiukkasluonteesta.

Fotoniteorian keksiminen mahdollisti teoreettisen ja kokeellisen fysiikan edistysaskeleet kuten laserin, Bosen–Einsteinin kondensaatin, kvanttikenttäteorian ja kvanttimekaniikan todennäköisyystulkinnan. Hiukkasfysiikan standardimallin mukaan fotonit tuottavat kaikki sähkö- ja magneettikentät ja ovat itse tulosta aika-avaruuden symmetrian vaatimuksesta. Fotonien ominaisuudet – varauksen, massan ja spinin – määrittää mittasymmetria.

Vuonna 2017 tehdyssä tieteellisessä kokeessa saatiin viitteitä siitä, että ihminen kykenee aistimaan yhden ainoan fotonin lähettämää häviävän pientä energiaa, vaikka se ei synnytäkään aivoissa normaalia valoaistimusta. Myös sammakoiden sauvasolut kykenevät reagoimaan yksittäisiin fotoneihin.

Nimestä ja merkinnöistä

Fotonin alkuperäinen nimi oli Einsteinin tekstissä valokvantti (das Lichtquant). Nykyinen termi 'fotoni' tulee kreikan kielen valoa tarkoittavasta sanasta φῶς. Sen otti käyttöön 1926 kemisti Gilbert Newton Lewis, joka julkaisi spekulatiivisen teorian, jonka mukaan fotonit olivat tuhoutumattomia ja niitä ei ollut mahdollista luoda. Lewisin teoriaa ei hyväksytty, ja se oli ristiriidassa havaintojen kanssa, mutta uusi termi otettiin lähes välittömästi käyttöön.

Fysiikassa fotonia merkitään kreikkalaisella gamma-kirjaimella γ. Symboli on todennäköisesti peräisin gammasäteilystä, jonka havaitsi ja nimesi vuonna 1900 Paul Ulrich Villard ja osoittivat valon muodoksi 1914 Ernest Rutherford ja Edward Andrade. Kemiassa ja optiikassa fotoneja merkitään usein $h\nu \!$, joka merkitsee fotonin energiaa. Tässä $h\!$ on Planckin vakio ja $\nu \!$ on fotonin taajuus. Vaikka fotonilla ei ole lepomassaa on sillä kuitenkin energiasta riippuva relativistinen liikemassa, jonka suuruus voidaan laskea relaatiosta $E=h\nu \!=mc^{2}$.

Fysikaaliset ominaisuudet

Fotoni on massaton, sillä ei ole sähkövarausta, eikä se hajoa spontaanisti. Fotonilla on kaksi mahdollista polarisaatiotilaa ja sitä kuvataan kolmella parametrillä: aaltovektorilla, joka määrittää aallonpituuden $\lambda \!$, ja kulkusuunnalla. Fotoneja syntyy luonnossa monissa prosesseissa: esimerkiksi kun sähkövarausta kiihdytetään, atomin elektroni tai ydin siirtyy matalammalle energiatasolle, tai kun hiukkanen ja antihiukkanen annihiloituvat. Fotoneja absorboituu noiden ilmiöiden T-käänteisissä tapahtumissa, esimerkiksi hiukkas–antihiukkasparin syntyessä tai atomin tai hiukkasen siirtyessä korkeampaan energiatilaan.

Koska fotoni on massaton, se liikkuu tyhjiössä nopeudella $c\!$ ja sen energia $E\!$ ja liikemäärä $\mathbf {p}$ ovat suhteessa $E=c\,p\!$. Vertailun vuoksi lepomassallisilla hiukkasilla suhde on erityisen suhteellisuusteorian mukaan $E^{2}=c^{2}p^{2}+m_{0}^{2}c^{4}\!$.

Fotonin energia ja liikemäärä riippuvat vain taajuudesta $\nu \!$ tai yhtäpitävästi aallonpituudesta $\lambda \!$.

$E=\hbar \omega =h\nu \!$

$\mathbf {p} =\hbar \mathbf {k}$

Tästä seuraa että:

$p=\hbar k={\frac {h}{\lambda }}={\frac {h\nu }{c}}$,

jossa $\hbar \equiv h/2\pi \!$ on Diracin vakio, $\mathbf {k}$ aaltovektori (jonka aaltoluku on $k\equiv 2\pi /\lambda \!$) ja $\omega \equiv 2\pi \nu \!$ kulmataajuus. $\mathbf {k}$ osoittaa fotonin etenemissuuntaan.

Fotoni kantaa myös spiniä, joka ei riipu sen taajuudesta. Spinin itseisarvo on ${\sqrt {2}}\hbar$ ja aaltovektorin suuntainen komponentti (helisiteetti) $\pm \hbar$. Tämä vastaa fotonin kahta mahdollista polarisaatiotilaa.

Tämän merkitys on, että hiukkasen ja sen antihiukkasen annihiloituessa täytyy syntyä ainakin kaksi fotonia: törmäävillä hiukkasilla ei ole liikemäärää niiden massakeskipistekoordinaatistossa, kun taas fotonilla on. Täten liikemäärän säilymislain mukaan kahden syntyvän fotonin liikemäärän täytyy olla nolla.

Klassisen teorian sähkömagneettisen säteilyn energia ja liikemäärä voidaan ilmaista fotonien muodossa: esimerkiksi säteilypaine johtuu fotonien liikemäärän sitoutumisesta kohteeseen.

Säteilyn ja aineen vuorovaikutus

Emissio: Kun atomin energiatila muuttuu, saattaa vapautuva energia emittoitua yhtenä fotonina. Valoemissio on mahdollinen myös kun vapaan elektronin energia muuttuu kiteen energiavyön sisällä. Sähkömagneettinen aalto emittoituu aina kun sähkövaraus on kiihtyvässä liikkeessä.

Absorptio: Kun fotoni törmää atomiin, se saattaa siirtää energiansa atomille, joka virittyy. Prosessi on mahdollinen vain, jos atomissa on tilojen energiaero, joka on sama kuin fotonin energia. Fotonin absorptiossa on kaiken energian siirryttävä tai prosessia ei tapahdu; fotoni ei siis voi absorboitua osittain.

Sironta: Fotoni voi sirota atomista niin, että atomi absorboi fotonin ja emittoi toisen fotonin.

Heijastuminen: Jos valo lähetetään kohti tasoa, osa siitä heijastuu takaisin. Tasoon tulevan ja tasosta heijastuvan valon kulma on tason normaaliin nähden sama.

Taittuminen: Kun valonsäde siirtyy väliaineesta toiseen, sen kulkusuunta muuttuu, ellei tulosuunta ole pinnan normaalin suuntainen.

Lähteet

• Hassi, Osmo: Fotonin malli. Tampere: Tampereen teknillinen yliopisto, 2003. ISBN 952-15-1004-8
• Zeilinger, Anton: Fotonien tanssi – Einsteinistä kvanttiteleportaatioon. Helsinki: Terra Cognita, 2011. ISBN 978-952-5697-47-6

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Fotoni Wikimedia Commonsissa

Hiukkaset fysiikassa