Fotón

Fotón (z gréckeho: φως (fos), svetlo) je vo fyzike elementárna častica, kvantum elektromagnetického poľa a základná "jednotka" svetla a všetkých ostatných foriem elektromagnetického žiarenia.

Fotón je jedným z kalibračných bozónov. Má nulovú pokojovú hmotnosť a šíri sa rýchlosťou svetla. Má aj časticové, aj vlnové vlastnosti, ale nie je ani vlnou, ani časticou. Fotóny sa pôvodne nazývali „kvantá energie“.

Všetko elektromagnetické vlnenie, od rádiových vĺn po gama žiarenie, je kvantované na fotóny, ktoré popisuje vlnová dĺžka, frekvencia, energia a hybnosť. Životnosť fotónu je nekonečná, v zmysle nekonečného polčasu rozpadu. Fotón je teda stabilná častica. Môže vznikať a zanikať pri interakciách. Fotón má spin 1 a jeho elektrický náboj je nulový. Vo vákuu sa všetky fotóny pohybujú rýchlosťou svetla c, ktorá je rovná 299 792 458 metrov za sekundu (m/s). Ako všetky elementárne častice, aj fotón sa riadi kvantovou mechanikou. Moderná koncepcia fotónu bola rozvinutá Albertom Einsteinom, ktorý vysvetlil experimentálne pozorovania, ktoré sa nezhodovali s klasickým vlnovým modelom svetla. Pozri fotoelektrický jav.

Časticové vlastnosti elektromagnetického žiarenia sa prejavujú predovšetkým pri vysokých frekvenciách (teda pri vysokých energiách fotónu), v opačnom prípade prevažujú vlnové vlastnosti elektromagnetického žiarenia, tzn. žiarenie sa prejavuje ako vlnenie.

Fotón existuje iba v pohybe, pričom sa vždy (v súlade s postulátom špeciálnej teórie relativity) pohybuje rýchlosťou svetla. Má preto nulovú pokojovú hmotnosť. Dôsledkom jeho neustáleho pohybu je však nenulová energia, ktorá je definovaná vzťahom:

${\displaystyle E=hf={hc \over \lambda }}$,

kde ${\displaystyle h}$ je Planckova konštanta, ${\displaystyle f}$ je frekvencia, ${\displaystyle c}$ je rýchlosť svetla vo vákuu a ${\displaystyle \lambda }$ je vlnová dĺžka.

Na základe relativistického vzťahu ekvivalencie energie a hmotnosti, tzn. ${\displaystyle E=mc^{2}}$, je možné fotónu priradiť tiež určitú hmotnosť (nejde však o pokojovú hmotnosť, ktorá je nulová, ale o pohybovú hmotnosť), ktorá sa prejavuje zotrvačnými a gravitačnými vlastnosťami. Táto energia (a teda aj hmotnosť) spôsobuje, že na fotón pôsobi gravitácia podľa všeobecnej teórie relativity a on sám gravitačne pôsobi na okolie. Tieto javy boli potvrdené pozorovaním (napr. pozorovanie ohybu žiarenia okolo kozmických telies).

Pomocou relativistického vzťahu pre energiu pohybujúcej sa častice ${\displaystyle E={\sqrt {m_{0}^{2}c^{4}+p^{2}c^{2}}}}$ a zo skutočnosti, že pokojová hmotnosť fotónu je nulová, tzn. ${\displaystyle m_{0}=0}$, je možné hybnosť fotónu ${\displaystyle p}$ vyjadriť nasledujúcim spôsobom:

${\displaystyle p={E \over c}={hf \over c}={h \over \lambda }}$

Napriek tomu, že pokojová hmotnosť fotónu je nulová, môžeme určiť jeho relativistickú hmotnosť z predchádzajúceho vzťahu. Pokiaľ uvážime, že ${\displaystyle p=mc}$, platí:

${\displaystyle m={hf \over c^{2}}={h \over c\lambda }}$

Fotóny vznikajú mnohými spôsobmi, napríklad vyžarovaním pri prechode elektrónu medzi orbitálnymi hladinami, či pri anihilácii častíc. Špeciálne prístroje ako maser a laser môžu vytvoriť koherentný zväzok žiarenia.