Klassifisering | Boson |
---|---|
Sammensetning | Elementær |
Gruppe | Måler boson |
Symbol | ɣ |
Masse |
0 (teoretisk) <10 −54 kg (<~ 5 × 10 −19 eV / c 2 ) (eksperimentell) |
---|---|
Elektrisk ladning |
0 (teoretisk) <1 × 10 −35 e (eksperimentell) |
Snurre rundt | 1 |
Livstid |
Stabil (teoretisk) Gjelder ikke > 1 × 10 18 år (eksperimentell) |
Prediksjon | Albert Einstein , 1905-1917 |
---|---|
Oppdagelse | Arthur Compton , 1923 |
Den foton er quantum av energien forbundet med elektromagnetiske bølger (som strekker seg fra radiobølger til gammastråler til synlig lys ), som oppviser visse egenskaper ved en elementærpartikkel . I kvantefeltteori er fotonet mediatorpartikkelen til den elektromagnetiske interaksjonen . Med andre ord, når to elektrisk ladede partikler samhandler, oversettes denne interaksjonen fra et kvantesyn som en utveksling av fotoner.
Ideen om en kvantifisering av energien som bæres av lys ble utviklet av Albert Einstein i 1905 , fra studien av svart kroppsstråling av Max Planck , for å forklare den fotoelektriske effekten som ikke kunne inngå i rammen av en klassisk bølgemodell av lys, men også av hensyn til teoretisk konsistens mellom statistisk fysikk og bølgefysikk. Oppdagelsen av Compton-effekten i 1923, som også ga lysets partikkelegenskaper, og fremkomsten av kvantemekanikk og bølgepartikkerdualitet, førte til å vurdere dette kvantet som en partikkel, kalt foton i 1926.
Fotoner er "pakker" med elementær energi, eller kvanta av elektromagnetisk stråling , som byttes ut under absorpsjon eller utslipp av lys av materie. I tillegg er energien og momentumet ( strålingstrykket ) til en monokromatisk elektromagnetisk bølge et helt antall ganger det fotonet har.
Konseptet med foton har gitt opphav til viktige fremskritt innen eksperimentell og teoretisk fysikk, slik som lasere , Bose-Einstein-kondensater , kvanteoptikk , kvantefeltteori og den sannsynlige tolkningen av kvantemekanikken . Fotonen er en rotasjonspartikkel lik 1, den er derfor et boson , og dens masse vil være null eller i alle fall mindre enn omtrent 5 × 10 -19 meV / .
Energien til et synlig lysfoton er i størrelsesorden 2 eV , som er ekstremt lavt: en enkelt foton er usynlig for et dyrs øye, og de vanlige strålingskildene ( antenner , lamper , laser osv.) Produserer veldig store mengder fotoner, som forklarer hvorfor den "granulære" naturen til lysenergi er ubetydelig i mange situasjoner studert av fysikk. Det er imidlertid mulig å produsere fotoner en etter en gjennom følgende prosesser:
Det maskuline substantivet "foton" ( uttalt [fɔtɔ̃] på standardfransk ) er avledet av " foto- " med suffikset " -on ". Den basen “foto-” er hentet fra den gamle greske φῶς , φωτός ( Phos, bilder ) som betyr “lys”. Suffikset “-on” er hentet fra slutten av “ elektron ”. "Photon" betegner partiklene som bærer lys og tilhørende energi. Som vi finner i artikkelen av Albert Einstein av1905ble den kvantifiserte energiutvekslingen mellom lys og materie opprinnelig betegnet med "quantum of energy" ( Energiequantum ) eller "luminous quantum" ( Lichtquant ). Vi finner et første spor av begrepet "foton" i1916i et forslag fra den amerikanske psykologen og psykofysiologen Leonard T. Troland (1889-1932) for å betegne enheten som senere ble kalt troland eller luxon. Begrepet ble deretter brukt innenfor rammen av studier om fysiologien til visuell persepsjon: John Joly (1857-1933) brukte dermed navnet på foton i1921, for å betegne energien som tilsvarer en elementær stimulans som går fra netthinnen til hjernen. I sine publikasjoner biokjemikeren René Wurmser (1890-1993) brukte også begrepet. Den ble plukket opp en gang av Frithiof (Fred) Wolfers (-1971) i et notat som ble presentert for vitenskapsakademiet av Aimé Cotton 26. juli 1926 i sin studie av de kantete kantene av skyggen til et opplyst ugjennomsiktig objekt. Det ble også fremmet av kjemiker Gilbert N. Lewis (1875-1946) i et brev til Nature publisert 18. desember 1926. Det var på dette tidspunktet at begrepet " foton " ble adoptert mye av det vitenskapelige samfunnet.
I fysikk av partikler og høy energi blir et foton vanligvis representert med symbolet (gresk bokstav gamma ), i forbindelse med gammastrålene oppdaget i 1900 av Paul Villard . I 1914 demonstrerte Rutherford og Edward Andrade at disse gammastrålene faktisk var elektromagnetisk stråling, som lys.
Gjennom historien har lysbeskrivelsen fulgt en nysgjerrig pendelsvingning mellom et korpuskulært syn og en bølgesyn. I de fleste teorier inntil XVIII th århundre, er det vurdert at lys består av partikler. Selv om bølgemodeller er foreslått av René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) og Christian Huygens (1678), er partikkelmodeller fortsatt dominerende, delvis på grunn av innflytelsen fra Isaac Newton . Et paradigmeskifte finner sted fra demonstrasjonen av forstyrrelser og lysdiffraksjon av Thomas Young og Augustin Fresnel i begynnelsen av XIX E- tallet, og i 1850 blir bølgemodellene regelen etter eksperimentet utført av Léon Foucault på hastigheten til forplantning av lys. Maxwells spådom i 1865 om at lys er en elektromagnetisk bølge, etterfulgt av Hertz eksperimentelle bekreftelse i 1888, ser ut til å være et knockout-slag mot kroppsteorier om lys.
Den bølgeteori av Maxwell ikke står for alle egenskapene til lys. Denne teorien forutsier at energien til en lysbølge bare avhenger av bølgens amplitude, men ikke av frekvensen; imidlertid mange eksperimenter indikerer at energien overført fra lys til atomer bare avhenger av frekvens og ikke av amplitude. For eksempel er visse kjemiske reaksjoner bare mulige i nærvær av en lysbølge med tilstrekkelig frekvens: under en terskelfrekvens, uansett innfallende intensitet, kan ikke lyset starte reaksjonen. På samme måte, i den fotoelektriske effekten , blir elektroner bare kastet ut fra en metallplate over en viss frekvens, og energien til de utsendte elektronene avhenger av bølgefrekvensen og ikke av amplituden. På samme måte er resultatene oppnådd ved slutten av XIX th og tidlig XX th -tallet på strålingen fra sortlegeme er teoretisk gjengitt av Max Planck i 1900 forutsatt at materialet samvirker med en elektromagnetisk bølge med frekvens bare kan motta eller sende ut elektromagnetisk energi i pakker med velbestemt verdi lik - disse pakkene kalles kvanta .
Siden Maxwells ligninger tillater hvilken som helst verdi av elektromagnetisk energi , trodde de fleste fysikere opprinnelig at denne kvantiseringen av den utvekslede energien skyldtes hittil ukjente begrensninger i materie som absorberer eller avgir lys. I 1905 var Einstein den første til å foreslå at kvantifisering av energi er en egenskap av selve lyset . Selv om han ikke stiller spørsmål ved gyldigheten av Maxwells teori, viser Einstein at Plancks lov og den fotoelektriske effekten kan forklares hvis energien til den elektromagnetiske bølgen ble lokalisert i punktkvanta som beveget seg uavhengig av hverandre, selv om selve bølgen kontinuerlig ble utvidet i verdensrommet. I sin artikkel forutsier Einstein at energien til elektronene som sendes ut under den fotoelektriske effekten, avhenger lineært av bølgefrekvensen. Denne sterke spådommen ble bekreftet eksperimentelt av Robert Andrews Millikan i 1916, som tjente ham - sammen med sine eksperimenter på ladede dråper - Nobelprisen i 1923. I 1909 og 1916 viste Einstein at hvis Plancks lov om stråling av den svarte kroppen er nøyaktig, energikvantene må også ha en impuls , som gjør dem til fullverdige partikler . Fotonpulsen ble eksperimentelt demonstrert av Arthur Compton , som ga ham Nobelprisen i 1927.
Gjennom begynnelsen av XX th -tallet, men er fortsatt fotonet konseptet kontroversielt, hovedsakelig på grunn av mangel på en formalisme å kombinere bølgefenomener med den nyoppdagede corpuscular fenomener. Så i 1913 skrev Planck i et anbefalingsbrev til fordel for Einsteins opptak til det preussiske vitenskapsakademiet:
"Vi må ikke holde for mye mot ham at han i hans spekulasjoner av og til kan ha overskredet sitt mål, som med hypotesen om kvantum av lys. "
Mange effekter som demonstrerer lysets kvantiserte natur, kan faktisk også forklares med en semiklassisk teori der materie kvantiseres, men lys regnes som et klassisk elektromagnetisk felt. Blant fenomenene som kan forklares på denne måten, kan vi for eksempel sitere eksistensen av en terskel i den fotoelektriske effekten, forholdet mellom energien til elektronet som sendes ut og frekvensen til bølgen, grupperingen av fotoelektroner i et interferometer Hanbury Brown og Twiss, samt den poissoniske regnskapsstatistikken. I motsetning til hva mange tror, er den fotoelektriske effekten derfor ikke det absolutte beviset på at fotonet eksisterer (selv om noen eksperimenter med den fotoelektriske effekten ikke kan forklares med en semiklassisk teori).
Comptons eksperiment gir en mer håndgripelig eksistens til fotonet, siden sistnevnte viser at diffusjonen av elektroner av røntgenstråler er godt forklart ved å tilskrive fotonet det vinkelmomentet som Einstein forutsa. Dette eksperimentet markerer et avgjørende stadium, hvoretter hypotesen om lyskvantas får støtte fra flertallet av fysikere. I et siste forsøk på å lagre den kontinuerlige variasjonen av elektromagnetisk energi og gjøre den kompatibel med eksperimenter, utvikler Bohr, Kramers og Slater en modell basert på to drastiske antagelser:
Imidlertid viser mer presise Compton-spredningseksperimenter at energi og momentum er bevart ekstraordinært godt under elementære prosesser, og også at elektronrekylen og genereringen av en ny foton under Compton-spredning adlyder til kausalitet innen 10ps. Som et resultat gir Bohr og hans samarbeidspartnere sin modell "en så hederlig begravelse som mulig" . På den teoretiske fronten klarer kvanteelektrodynamikk oppfunnet av PAM Dirac å gi en fullstendig teori om stråling - og elektroner - som forklarer bølgepartikkel-dualiteten . Siden den tid, og spesielt takket være oppfinnelsen av laseren , har eksperimenter mer og mer direkte bekreftet eksistensen av foton og svikt i semi-klassiske teorier. Spesielt har det blitt mulig å måle tilstedeværelsen av et foton uten å absorbere det, og dermed direkte demonstrere kvantiseringen av det elektromagnetiske feltet, slik at Einsteins prediksjon anses å være bevist .
Nobelpriser tildelt i forbindelse med begrepet foton:
Fotonet har ingen elektrisk ladning , nærmere bestemt er eksperimentene kompatible med en elektrisk ladning mindre enn 1 × 10 −35 e (gamle maksimale estimater: 5 × 10 −30 e). Et foton har to mulige polarisasjonstilstander og er beskrevet av tre kontinuerlige parametere: komponentene i bølgefiguren , som bestemmer bølgelengden λ og forplantningsretningen. Fotoner sendes ut fra flere prosesser, for eksempel når en ladning akselereres, når et atom eller en kjerne hopper fra et høyt energinivå til et lavere nivå, eller når en partikkel og dets antipartikkel utslettes. Fotoner absorberes i omvendt prosess, for eksempel i produksjonen av en partikkel og dets antipartikkel eller i atom- og atomoverganger til høye energinivåer.
En fotonstrømning er i stand til å endre hastigheten på materielle objekter (akselerasjon av partikler, atomer, molekyler, ...). Bevaring av momentum innebærer da at et foton har et momentum som ikke er null.
Fotonen er imidlertid masseløs . Eksperimentene er kompatible med en masse mindre enn 10-54 kg , dvs. 5 × 10 -19 eV / c 2 (tidligere estimater plasserte den øvre grensen på 6 × 10 −17 eV / c 2 og 1 × 10 −18 eV / c 2 ); det antas generelt at fotonet har null masse.
Den klassiske definisjonen av momentum (produkt av masse etter hastighet) kan således synes å føre til en motsetning. Forklaringen er at det som er bevart i det relativistiske rammeverket ikke lenger strengt tatt er energien og momentum, men et mer abstrakt objekt som kombinerer dem, quadri-momentet . I spesiell relativitet viser vi således at forholdet mellom energien , momentum og massen til en partikkel er skrevet: (hvor c er lysets hastighet i et vakuum). Således for et foton med null masse (og derfor av hastighet i alle referanserammer), har vi den enkle relasjonen: E = c • p (dessuten gyldig for alle partikler uten masse); fremdriften p således definerte (og er lik , der er Plancks konstant og den frekvens av den elektromagnetiske stråling) oppfører seg som den klassiske momentum, for eksempel i beregningen av den strålingstrykk . En mer detaljert analyse av denne beregningen (og dens konsekvenser for variasjonen av fotonets bølgelengde under en uelastisk kollisjon) finner du i artikkelen Compton-spredning .
Fotonet har også en spinn som er uavhengig av frekvensen, og som er lik 1, som tillater a priori tre verdier for projeksjonen: -1, 0 og 1. Verdien 0 er imidlertid forbudt av kvantefeltteori , på grunn av fotonets nullmasse. Amplituden til spinnet er og komponenten målt i forplantningsretningen, kalt helisitet , skal være . De to mulige helikopterene tilsvarer de to mulige tilstandene for sirkulær polarisering av fotonet (med klokken og mot klokken). Som i klassisk elektromagnetisme tilsvarer en lineær polarisering en overstilling av to tilstander med motsatt helisitet.
Fotonen kan karakteriseres av:
Vi finner også energien redusert av og uttrykt i , av og uttrykt i eller dimensjonsløs av .
Det første bildet vi har av fotonet er "kule av lys", lyset vil være sammensatt av korn som vil bevege seg ved 299 792 458 m / s ( lysets hastighet ).
I denne modellen spaltes en gitt lysenergistrøm til kuler hvis energi avhenger av bølgelengden λ og er lik h . c / λ . Således, for et monokromatisk lys (det vil si hvis spektrum er redusert til en enkelt bølgelengde), består energistrømmen av mange "myke" kuler hvis bølgelengden er stor. (På den røde siden), eller få "harde" perler hvis bølgelengden er liten (på den blå siden) - kvalifikatorene "myke" og "harde" er relatert til mengden elektromagnetisk energi som de inkluderer.
Hvis lys består av flere bølgelengder, består energistrømmen av perler av varierende "hardhet".
Dette synet, forenklet i henhold til gjeldende standarder, tillater ikke en korrekt forklaring av alle lysets egenskaper.
Fotonen er et konsept for å forklare interaksjonen mellom elektromagnetisk stråling og materie. Som med de andre elementære partiklene , har den en bølge-partikkel dualitet . Vi kan bare snakke om et foton som en partikkel i øyeblikket av interaksjon. Bortsett fra enhver interaksjon, vet vi ikke - og vi kan ikke vite - hvilken "form" denne strålingen har. Vi kan intuitivt forestille oss fotonet innenfor rammen av denne dualiteten som en punktkonsentrasjon som bare ville dannes på tidspunktet for interaksjonen, deretter spre seg og reformere seg selv på tidspunktet for en annen interaksjon. Vi kan derfor ikke snakke om "lokalisering" eller om "bane" av fotonet, mer enn vi kan snakke om "lokalisering" og heller ikke om "bane" av en bølge.
Faktisk kan vi bare se fotonet som en kvantepartikkel, det vil si et matematisk objekt definert av bølgefunksjonen som gir sannsynligheten for tilstedeværelse. Det vil generelt ha form av en bølgepakke. Denne bølgefunksjonen og den klassiske elektromagnetiske bølgen opprettholder et nært forhold, men smelter ikke sammen.
Dermed har den elektromagnetiske bølgen, det vil si verdien av det elektriske feltet og magnetfeltet som en funksjon av stedet og øyeblikket ( og ), to betydninger: