Fotoner (fra græsk φως, der betyder lys) er i mange atomare modeller i fysikken partikler, der transmitterer lys. Med andre ord transporteres lys over rummet af fotoner. Foton er en elementarpartikel, der er sin egen antipartikel. I kvantemekanikken har hver foton et karakteristisk energimæssigt kvantum, der afhænger af frekvensen: En foton, der er forbundet med lys med en højere frekvens, vil have mere energi (og være forbundet med lys med en kortere bølgelængde).

Fotoner har en hvilemasse på 0 (nul). Einsteins relativitetsteori siger dog, at de har en vis mængde impuls. Før fotonerne fik deres navn, genoplivede Einstein forslaget om, at lys er separate energistykker (partikler). Disse partikler kom til at blive kendt som fotoner.

En foton har normalt symbolet γ (gamma).


 

Egenskaber

  • Hvilemasse: Fotoner har hvilemasse 0. Derfor bevæger de sig altid med lysets hastighed c i vakuum.
  • Hastighed: I vakuum er hastigheden c ≈ 299.792.458 m/s. I materiale kan lyshastigheden være lavere pga. vekselvirkninger med mediet.
  • Energi: Energien af en enkelt foton er givet ved Plancks relation: E = h·ν, hvor h er Plancks konstant og ν er frekvensen. Sammenhængen med bølgelængden er λ = c/ν.
  • Impuls: En foton har impuls p = E/c = h/λ.
  • Spin og polarisation: Fotonen er en boson med spin 1, men som masseløs partikel har den kun to uafhængige polarisations- eller helicitetstilstande (venstre- og højre-cirkulær polarisation). Der findes ingen fysisk longitudinal tilstand for reelle fotoner.
  • Statistik: Fotoner følger Bose–Einstein-statistik og kan ophobe sig i samme kvantetilstand (grundlaget for fx laserlys).
  • Antipartikel: Fotonen er sin egen antipartikel.
  • Antallet ikke-bevarende: Antallet af fotoner er ikke en bevaret størrelse i naturen — fotoner kan skabes og annihileres i væsentlige processer.

Hvordan fotoner bærer energi og impuls

Frekvensen (ν) bestemmer fotonens energi via E = h·ν. Jo højere frekvens, desto større energi: radiobølger har lave frekvenser og lav energi per foton, mens røntgenstråling og gammastråler har meget høje frekvenser og stor energi pr. foton. Bølgen og partiklen: fotonen udviser både bølge- og partikelegenskaber — interferens og diffraktion viser bølgenaturen, mens fænomenet hvor individuelle fotoner absorberes eller emitteres kvantiseret (fx fotoelektrisk effekt) viser partikelaspektet.

Interaktioner og vigtige fænomener

  • Absorption og emission: Atomer og molekyler kan absorbere eller udsende fotoner ved kvantespring mellem energiniveauer. Dette beskriver spektroskopi og forklarer farver i naturen.
  • Fotoelektrisk effekt: Når lys rammer en metaloverflade, kan enkelte fotoner give elektroner nok energi til at blive frigivet — Et afgørende eksperiment for kvanteteorien, forklaret af Einstein.
  • Compton-spredning: Fotoner kan afgive impuls og energi til frie eller svagt bundne elektroner, hvilket resulterer i ændret bølgelængde.
  • Parproduktion: Højtenergetiske fotoner (typisk γ-fotoner) kan i nærvær af et atomkernefelt omdannes til et elektron-positron-par, hvis energien er tilstrækkelig (> 2·mec^2).
  • Stimuleret emission: Et vigtigt fænomen hvor et incident foton kan få et ophidset atom til at udsende et andet foton med samme fase, frekvens og retning — grundlaget for lasere.

Fotoner i kvanteteori og partikelfysik

I moderne teori beskrives fotonen af kvanteelektrodynamikken (QED), som er den kvantiserede feltteori for elektromagnetisk vekselvirkning. I QED er fotonen feltets kvantum, og vekselvirkninger mellem ladede partikler formidles af fotoner. Der skelnes mellem reelle fotoner (målbare, fri stråling) og virtuelle fotoner (midlertidige udvekslingskvanter, som ikke kan observeres direkte, men som formidler kraft mellem ladede partikler i beregninger).

Anvendelser og eksempler

  • Kommunikation: Radiobølger og mikrobølger (fotoner med lav energi) bruges til radiosignal, TV og trådløs kommunikation.
  • Medicin: Røntgenstråling og gammastråling bruges i medicinsk billeddannelse og behandling.
  • Energi: Solceller omdanner fotoner fra solen til elektrisk energi via fotoelektrisk effekt.
  • Videnskab: Spektroskopi, lasere, kvanteoptik og eksperimentel test af fundamentale teorier (fx QED-precisionstests).
  • Astronomi: Observationer af fotoner over hele det elektromagnetiske spektrum (fra radio til gamma) giver information om kosmos, fra stjerner til kosmisk baggrundsstråling.

Måling og symboler

Fotoner registreres som enkeltbegivenheder i fotodetektorer (fx fotomultiplikatorer, CCD-sensorer eller enkelt-foton tællere) eller som kontinuerte intensiteter ved store flux. Som nævnt anvendes ofte symbolet γ om fotoner, især om højtenergetiske fotoner (gammastråler), men γ kan også bruges generelt i partikkelfysik.

Samlet set er fotoner fundamentale bærere af elektromagnetisk energi og centralt placeret i forståelsen af både klassisk optik og moderne kvantefysik. De kobler teori og anvendelser fra dagligdags synsoplevelser til avanceret teknologi og grundforskning.