גילוי מודל הפוטון הביא לפריצות דרך בפיזיקה הניסויית והתאורטית, כגון פיתוח הלייזרים, יצירת עיבוי בוז-איינשטיין ובאופן כללי הביא להתפתחות מכניקת הקוונטים. תחומים רבים אחרים התקדמו בזכות הבנת מושג הפוטון, למשל פוטוכימיה, מיקרוסקופיה בהפרדה גבוהה ומדידת מרחקים ברמה המולקולרית. בתחילת המאה ה-21 נמצא שימוש לפוטונים בודדים במחקרים העוסקים במחשוב קוונטי וביישומי תקשורת אופטית מתקדמים, כגון הצפנה קוונטית.
אטימולוגיה.
במאמרו המקורי מ-1905 נתן אלברט איינשטיין לפוטון את השם "קוונט האור" (בגרמנית: "das Lichtquant"). מקור השם המודרני "פוטון" במילה היוונית "פוס" (אור). השם נטבע ב-1926 על ידי הכימאי גילברט ניוטון לואיס, שפרסם תאוריה ספקולטיבית שבה פוטונים היו בלתי ניתנים ליצירה או להשמדה התאוריה של לואיס לא התקבלה, מאחר שהיא נסתרה על ידי ניסויים רבים, אך השם החדש "פוטון" אומץ מיד על ידי רוב הפיזיקאים. דעה אחרת מוצגת בספרו של אייזק אסימוב "הנייטרינו, חלקיק הרפאים של האטום" (1966). אסימוב זוקף לזכותו של ארתור קומפטון את הגדרת קוונט האור כפוטון ב-1927.
בפיזיקה, הפוטון מסומן בדרך-כלל עם האות היוונית גמא, γ. מקור הסמל, ככל הנראה, בקרינת גמא. קרניים אלה נתגלו ב-1900 על ידי פול אולריך וילארד. ב-1914 הראו ארנסט רתרפורד ואדוארד אנדרד שהן למעשה קרינה אלקטרומגנטית. בכימיה ובהנדסה אופטית, פוטונים וקרינה אלקטרומגנטית מסומנים פעמים רבות hν.
היסטוריה.
רוב תאוריות האור עד המאה ה-18 תיארו את האור כעשוי מחלקיקים. אחת מהתאוריות החלקיקיות המוקדמות ביותר נוסחה על ידי אבן אל-היית'ם בספרו "ספר האופטיקה" מ-1021. קרני האור תוארו שם כזרמי חלקיקים זערוריים "חסרי תכונות מוחשיות למעט אנרגיה". מאחר שהמודלים החלקיקיים של האור אינם מסבירים בקלות תופעות כגון שבירה, עקיפה ושבירה כפולה, הוצעו מאוחר יותר תאוריות גליות על ידי רנה דקארט (1637), רוברט הוק (1665) וכריסטיאן הויגנס (1678); למרות זאת, המודלים החלקיקיים נותרו דומיננטיים, בעיקר עקב השפעתו של אייזק ניוטון. בתחילת המאה ה-19, הראו תומאס יאנג ואוגוסטן פרנל כי האור מקיים תופעות התאבכות ועקיפה, ועד 1850 המודלים הגליים כבר היו מקובלים על רוב המדענים. ב-1865 שיער ג'יימס קלרק מקסוול, באמצעות המשוואות שפיתח, כי האור הוא גל אלקטרומגנטי, והשערה זו אושרה כשהיינריך הרץ גילה את גלי הרדיו. התגלית נדמתה כסותמת את הגולל על המודלים החלקיקיים של האור.
למרות האמור לעיל, תאוריית הגלים של מקסוול לא הסבירה את כל תכונות האור. תאוריית מקסוול גורסת כי אנרגיית הגל תלויה אך ורק בעוצמתו, ולא בתדירותו; אף על פי כן, מספר ניסויים בלתי תלויים הראו כי האנרגיה שהאור מעניק לאטומים כן תלויה בתדירות שלו, ולא בעוצמה. לדוגמה, חלק מהתגובות הכימיות נגרמות רק על ידי אור שתדירותו גבוהה מערך סף מסוים; אור בתדירות נמוכה מהסף, ללא תלות בעוצמתו, לא יגרום לתגובה. באותו אופן, ניתן לקרוע אלקטרונים ממשטח מתכתי על ידי הארתו בתדירות גבוהה מספיק; זהו האפקט הפוטואלקטרי. אנרגיית האלקטרון הנפלט נקבעת לפי תדירותו של האור, ולא לפי עוצמתו.
במקביל, המחקרים בקרינת גוף שחור שבוצעו במשך ארבעה עשורים (1860-1900) על ידי חוקרים רבים הגיעו לשיאם בהשערה של מקס פלאנק כי האנרגיה של כל מערכת הקולטת או פולטת קרינה אלקטרומגנטית עם תדר ν היא כפולה שלמה של קוונט האנרגיה E = hν. אלברט איינשטיין הראה כי אם מניחים צורה כלשהי של קוונטיזציית אנרגיה, ניתן להסביר את שיווי המשקל התרמודינמי הנצפה בין החומר והקרינה האלקטרומגנטית. עבור הסבר זה של האפקט הפוטואלקטרי, קיבל איינשטיין את פרס נובל לפיזיקה ב-1921.
מאחר שתאוריית האור של מקסוול מאפשרת לקרינה אלקטרומגנטית לקבל כל ערך שרירותי של אנרגיה, רוב הפיזיקאים הניחו שקוונטיזציית האנרגיה נובעת ממגבלה בלתי-ידועה כלשהי של החומר שספג ופלט את הקרינה, ולא מגבלה על הקרינה עצמה. ב-1905, היה איינשטיין הראשון להעלות את ההשערה שקוונטיזציית האנרגיה היא תכונה של הקרינה האלקטרומגנטית עצמה. אף על פי שאיינשטיין קיבל את תקפותה של תאוריית מקסוול, הוא הצביע על כך שניתן להסביר תוצאות של ניסויים רבים שלא עלו בקנה אחד עם התאוריה, אם אנרגיית גלי האור הייתה מרוכזת בקוונטים נקודתיים אשר נעו בנפרד אחד מהשני, אפילו אם הגל עצמו נפרש באופן רציף בחלל. ב-1909 וב-1916, הראה איינשטיין כי לפי חוק פלאנק לקרינת גוף שחור, קוונטי האנרגיה חייבים לשאת גם תנע המוגדר על ידי p = h / λ, ולכן ניתן להתייחס אליהם כאל חלקיקים יסודיים במלוא מובן המילה. תנע הפוטון נצפה בניסוי על ידי ארתור קומפטון, ועל כך הוא קיבל את פרס נובל לפיזיקה ב-1927. נתונים אלו העלו את השאלה החשובה שהעסיקה פיזיקאים רבים: כיצד לאחד את התאוריה הגלית של מקסוול עם טבעו החלקיקי של האור כפי שנצפה בניסוי? התשובה לשאלה זו העסיקה את איינשטיין בשארית חייו, ונפתרה לבסוף באמצעות אלקטרודינמיקה קוונטית וממשיכת דרכה, תאוריית המודל הסטנדרטי.
תכונות פיזיקליות.
הפוטון חסר מסה וחסר מטען חשמלי, ואינו מתפרק באופן ספונטני בריק. מהירות האור בריק, c, היא קבוע שערכו 299,792,458 מטרים לשנייה. לכן, פוטון לא יכול להימצא במצב מנוחה. יש לו שני מצבי קיטוב אפשריים, וניתן לתארו על ידי שלושה פרמטרים רציפים בדיוק: רכיבי וקטור הגל שלו. הם קובעים את אורך הגל λ וכיוון ההתפשטות של הפוטון. פוטון נע במסלול גאודזי ממוצע, כלומר בדרך הקצרה ביותר במרחב-זמן. פוטון נושא אנרגיה ותנע הקשורים זה לזה בהתאמה לאורך הגל שלו, כפי שמודגם בניסוח האפקט הפוטו-אלקטרי ובמשוואת דה ברויי.
פוטון הוא חלקיק אלמנטרי מסוג בוזון, כלומר חלקיק בעל ספין שלם המציית לסטטיסטיקת בוז-איינשטיין, ולכן ניתן לדחוס מספר לא מוגבל של פוטונים לתוך אותו מצב קוונטי. לפוטון ספין שלם של 1 אך מכיוון שהוא חסר מסה, יש לו בורגיות מוגדרת ולכן הספין יכול לקבל רק את הערכים formula_1.
על פי תורת השדות, הפוטון הוא בוזון הכיול של הכוח האלקטרומגנטי, כלומר, הכוחות החשמליים והמגנטיים הם תוצר של החלפת פוטונים. כל שאר המספרים הקוונטים של הפוטון, כגון מספר לפטוני, מספר באריוני ומוזרות, הם אפס בדיוק. מכיוון שמסת הפוטון היא 0, הכוח החשמלי הוא כוח ארוך טווח (למעשה, בעל טווח אינסופי) ועוצמתו פרופורציונלית לאחד חלקי המרחק בריבוע. זאת, בניגוד, לדוגמה, לגלואון, הנושא את הכוח החזק. אף שגם הגלואון הוא בעל מסה של 0, הרי שלגלואון עצמו יש מטען צבע. כתוצאה מכך, הגלואונים נמשכים זה לזה בעוצמה רבה; תגובה זו מקצרת את טווח הפעולה של הגלואונים ומביאה לכך שהכוח החזק הוא כוח קצר טווח, כאשר מרבית האינטראקציה החזקה מתקיימת בתוך הקוטר של האדרון בודד.
פוטונים נפלטים בתהליכים טבעיים רבים. לדוגמה, כאשר חלקיק טעון מואץ בעת מעבר מולקולרי, אטומי או גרעיני לרמת אנרגיה נמוכה יותר, או כאשר חלקיק ואנטי-חלקיק שלו מתאיינים. פוטונים נבלעים בתהליכים ההפוכים (מבחינת סדר התרחשותם) לתהליכים המוזכרים לעיל: לדוגמה, ביצירת זוג של חלקיק ואנטי-חלקיק או במעבר מולקולרי, אטומי או גרעיני לרמת אנרגיה גבוהה יותר.
האנרגיה והתנע של פוטון.
בחלל ריק, הפוטון נע במהירות האור, c. בין האנרגיה שלו E לבין התנע formula_2 שלו קיים יחס הנפיצה הבא: E = cp. לשם השוואה, המשוואה המתאימה לחלקיקים עם מסת מנוחה m, כפי שהיא מנוסחת בתורת היחסות הפרטית, היא: formula_3.
אנרגיית הפוטון תלויה רק בתדירות ν או באורך הגל λ שלו (שכן ν=c/λ ו-h קבוע):
גם תנע הפוטון תלוי רק באורך הגל λ (מכיוון ש-k=2π/λ ו-h בר קבוע):
ומכאן נובע שגודל התנע הוא:
כאשר "formula_7" (קרי: h-בָּר) הוא קבוע דיראק (שהוא למעשה קבוע פלאנק חלקי שני פאי, כלומר: formula_8 ),
"formula_9" הוא וקטור הגל (כאשר formula_10 הוא גודלו) ו-"formula_11" היא תדירותו הזוויתית (השווה ל-formula_12).
ניתן לראות כי formula_13 מצביע לכיוון ההתפשטות של הפוטון. הספין של הפוטון אינו תלוי בתדירותו. גודל הספין הוא formula_14 ורכיבו הנמדד בכיוון התנועה חייב להיות formula_15 (פלוס לספין "מעלה" ומינוס לספין "מטה"). שתי אפשרויות אלו מתאימות לשני מצבי הקיטוב המעגלי של הפוטון (קיטוב ימני וקיטוב שמאלי).
חשיבותן של נוסחאות אלו ניתנת להמחשה כאשר חלקיק והאנטי-חלקיק שלו מתאיינים, חייבים להיווצר לפחות שני פוטונים. במערכת הייחוס ביחס למרכז המסה של החלקיקים המתנגשים, אין להם תנע כולל, בעוד שלפוטון יחיד תמיד יש תנע (מאחר שהוא תלוי, כאמור, בתדירות או באורך הגל בלבד, והם אינם אפס). לכן, חוק שימור התנע דורש כי ייווצרו לפחות שני פוטונים, והתנע הכולל שלהם במערכת יהיה זהה לשל החלקיקים, כלומר אפס. ניתן לקבוע את התדירות והאנרגיה של שני החלקיקים באמצעות חוק השימור של ארבע תנע פרשנות נוספת גורסת כי הפוטון יכול להיחשב כאנטי-חלקיק של עצמו. התהליך ההפוך לזה שתואר לעיל, יצירת זוג, הוא אחד המנגנונים שגורמים לפוטונים באנרגיה גבוהה, כמו קרני גמא, לאבד אנרגיה בעת שהם עוברים דרך חומר.
את הנוסחאות לאנרגיה ולתנע של קרינה אלקטרומגנטית ניתן לבטא מחדש במונחים של פוטונים. לדוגמה, לחץ הקרינה של קרינה אלקטרומגנטית על עצם נובע מהעברת התנע של הפוטונים לעצם. כאשר מחשבים את התנע ליחידת זמן ויחידת שטח מקבלים יחידות של לחץ.