Φωτόνιο

Το φωτόνιο είναι ένα κβάντο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (ενέργειας) με μήκος κύματος στο ορατό φάσμα του ηλεκτρομαγνητικού φασματος. Είναι μποζόνιο με σπιν 1, μάζα ηρεμίας και φορτίο 0. Είναι ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

Ιστορία

Η πρώτη θεωρητική πρόβλεψη για την ύπαρξή του έγινε από τον Πλανκ το 1900 στην προσπάθειά του να ερμηνεύσει την ακτινοβολία μέλανος σώματος. Για να μπορέσει να έχει έναν θεωρητικό τύπο που να συμφωνεί με τα πειραματικά δεδομένα στο υπεριώδες, παραδέχτηκε ότι η ακτινοβολία πρέπει να είναι κβαντισμένη, δηλαδή να διαδίδεται σε μικρά, διάκριτα "πακέτα". Το 1905 ο Αϊνστάιν, ερμηνεύοντας το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, πρότεινε την ύπαρξη "κβάντων φωτός", δηλαδή φωτονίων.

Γενικά χαρακτηριστικά

Το σύμβολο του φωτονίου είναι το ελληνικό γράμμα $\gamma$. Το φωτόνιο έχει ενέργεια ίση με

$E=h\cdot f=p\cdot c$

όπου με $h\,$ συμβολίζεται η σταθερά του Πλανκ, με $f\,$ η συχνότητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, με $p\,$ η ορμή του φωτονίου και $c\,$ είναι η ταχύτητα του φωτός.

Αν λύσουμε την πρώτη σχέση ως προς $f\,$, βλέπουμε ότι η συχνότητα ενός φωτονίου καθορίζεται από το πόση ενέργεια "κουβαλάει". Έτσι, αυτό που ουσιαστικά διαφοροποιεί τις διαφόρων ειδών ακτινοβολίες μεταξύ τους είναι το ποσό της ενέργειας που μεταφέρουν τα φωτόνιά τους. Τα χρώματα, για παράδειγμα, διαφοροποιούνται γιατί "αποτελούνται" από φωτόνια διαφορετικής ενέργειας και κατα συνέπεια διαφορετικής συχνότητας. Έτσι, έχουμε φωτόνια ραδιοφωνικών κυμάτων (χαμηλής ενέργειας), φωτόνια στην ορατή περιοχή του φάσματος και φωτόνια ακτίνων γ, που παράγονται όταν αποδιεγείρονται οι ατομικοί πυρήνες.

Στο κενό κινείται με την ταχύτητα του φωτός, ενώ μέσα σε υλικά η ταχύτητά του αλλάζει ανάλογα με τη φύση του υλικού. Το φωτόνιο έχει μηδενική μάζα ηρεμίας, ενώ η σχετικιστική του μάζα δίνεται από τη σχέση

$m={\frac {E}{c^{2}}}$

Mπορεί να συμπεριφέρεται είτε σαν κύμα (π.χ. στη διάδοση ακτινοβολίας στο κενό) είτε σαν σωματίδιο (π.χ. σε πειράματα συμβολής και περίθλασης). Η διπλή αυτή συμπεριφορά, που περιγράφεται με τον όρο "κυματοσωματιδιακός δυϊσμός", ήταν και η αφετηρία της Κβαντομηχανικής της Ύλης, αντιστρέφοντας το συλλογισμό και θεωρώντας ότι και τα σωματίδια μπορεί να έχουν κυματικό χαρακτήρα υπό συνθήκες.

Το φωτόνιο σαν φορέας πεδίου

Τα συμπεράσματα της Κβαντικής Θεωρίας Πεδίου προβλέπουν ότι τα ηλεκτρικά πεδία είναι κβαντωμένα. Η άσκηση της δύναμης από ένα φορτίο σε άλλο γίνεται με την ανταλλαγή δυνητικών φωτονίων που κινούνται με την ταχύτητα του φωτός και μεταφέρουν ορμή από το ένα φορτίο στο άλλο. Ο όρος "δυνητικά" αναφέρεται στο ότι δεν μπορούν να παρατηρηθούν.