Foton

Foton, (Grekçe: φῶς, φτός (phos, phōtós) 'ışık') Modern Fizik'te ışık, radyo dalgaları gibi elektromanyetik radyasyonu içeren Elektromanyetik Alan kuantumu yani ışığın temel birimidir. Ayrıca, Elektromanyetik Kuvvet'lerde kuvvet taşıyan, kütlesiz (ya da duru kütlesi=sıfır kabul edilen) temel parçacıktır. Parçacık terimi; genelde kütlesi olan veya ne kadar küçük olursa olsun bir cismi var olan anlamıyla kullanılır. Ancak, fotonlar için kullanılırken "en küçük enerji yumağı"nı temsil eden bir birimi ifade eder. Fotonlar Bozon sınıfına aittir. Kütlesiz oldukları için boşluktaki hızı 299.792.458 m/s (veya 299.792 km/s) dir.
Kuvvet etkileri hem mikroskobik ölçülerde, hem de makroskobik ölçülerde gözlemlenebilir. Foton herhangi bir duru kütleye sahip değildir ve bu durum uzak mesafelerde etkileşimlere izin vermektedir. Diğer bütün temel parçacıklar gibi foton da Kuantum mekaniğine dahildir ve dalga parçacık ikiliği gösterir. Bu durum fotonun hem dalga hem de parçacık özelliği gösterdiğini gösterir. Örnek olarak herhangi bir foton bir mercek tarafından kırılıma uğrayabilir veya dalga girişimi özelliği gösterebilirken ayrıca sayısal kütlesi ölçüldüğünde parçacık gibi davranabilir.
Foton'un modern kuramı Albert Einstein tarafından açıklanmıştır. Einstein, gözlemlerine göre klasik ışık dalga modelinin yetersizliği üzerine foton modeline gerek duymuştur.
Foton davranışlarını gözlemlemek için yapılan "Çift Yarık Deneyi" fotonların dalga mı yoksa tanecik davranışı mı gösterdiği tartışmalarını zirveye çıkarmıştır. Bu deneyin en çarpıcı sonucu deney ölçüm yapılmadan gerçekleşirse dalga modeline, ölçüm yapılırsa tanecik modeline göre hareket etmesi olmuştur.
Fotonlar
Işığın parçacıklardan oluştuğu fikrini ilk kez Isaac Newton ortaya koydu. Sonraları ışığın dalgalardan oluştuğu düşüncesi yayıldı. Ancak, Max Planck bazı deneylerinde ışığın tanecikmiş gibi davrandığını fark etti. Işık sanki devamlı dalgalar değil de, enerji paketçikleri gibi geliyordu. Einstein ve Planck bu enerji paketlerini ışık kuantumu veya foton olarak adlandırdılar. Fotonlar sanki birer parçacıklarmış gibi davranıyordu. Relativite (izafiyet) teorisine göre, bir parçacığın ışık hızında gidebilmesi için kütlesinin sıfıra eşit olması gerekiyordu! Demek ki ışığın enerjisi sadece kinetik enerjiydi; kütlesinden kaynaklanan hiçbir enerjisi yoktu. Einstein o güne dek açıklanamamış olan fotoelektrik olayını bu kavramla açıkladıktan sonra, bilim adamlarının ağzında yeniden 'ışık nedir?' sorusu gündeme gelmişti. Işığın bazı özellikleri sadece dalga olgusu (mantığı) ile açıklanırken (girişim veya kırınım gibi), bazı özellikleri ise sadece foton konsepti ile açıklanabiliyor (Fotoelektrik olay veya atomların enerji soğurması ve salması gibi).
Foton nedir?
Fotonun en bariz özelliklerini şöyle sayabiliriz: Durgun kütlesi sıfırdır; ışık hızıyla gider; ışık hızıyla gittiği için fotonlar için zaman durgundur; etkileşimlere parçacık olarak girebilir ancak dalga olarak yayılır; E=h x f, p=h/l ve E=pc bağıntılarına uyar; kütlesi sıfır olduğu halde, diğer parçacıklar gibi kütle çekiminden etkilenir. zamandan etkilenmediği için evrim geçirmeyen tek maddedir (ışık hızında giden diğer maddelerle birlikte)
: enerji miktarı
: Planck sabiti
: frekans
Işık dalga özelliklerine de sahiptir. Etkileşimlere parçacık olarak girebilir ancak dalga olarak yayılır.
Fotonlar kütleçekiminden neden etkilenir?
Fotonların kütleçekiminden etkilenme nedeni, kütleçekiminin kütleli cisimler etrafındaki uzay-zaman dokusunu bükmesidir. Işık da bu uzay-zaman içinde hareket eden bir dalga/parçacık olduğu için, bükülen uzay zaman dokusundan etkilenir.
Fotonlar ışık hızından başka bir hızda gidebilir mi?
Maxvell denklemlerini çözdüğümüz zaman elektrik ve manyetik alanın birbirini sonsuza kadar besleyeceği bir hız değerine ulaşırız. Bu değer sadece iki sabite bağlıdır ε0 boş uzayın elektrik alana karşı gösterdiği direnç ve μ0 boş uzayın manyetik alana karşı gösterdiği direnç. Bunlar evrenin dokusundan kaynaklı değerler olduğu için bütün evrende bu hız değeri aynıdır (başka evrenlerde veya evrenimizin dışında farklı değerler alabilir).
Bu hızın değeri saniyede 299.792.458 metredir yani ışık hızı. Maxvell bu formül ile ışığın bir elektomanyetik dalga olduğunu göstermiştir.
Bütün elektromanyetik dalgalar evrenin dokusundan kaynaklı belirli bir hız ile gitmek zorundalardır (ışık hızı) eğer bunun dışında bir hızla gidecek olsalar elektromanyetik dalga olmaktan çıkıp enerjilerini kaybederlerdi.
Bir araba 100 kilometre/saniye hıza anında ulaşmaz. 5 km/h, 20 km/h 50 km/h gibi süreğen bir artış gösterir ama ışık kaynaktan çıktıktan sonra anında ışık hızına ulaşır süreğen bir artış göstermez.
70 km/h hızla giden bir arabadan geriye doğru 20 Km/h hızla bir top fırlatırsak topun hızı 50 km/h olur ama 0.5 c hızla giden bir uzay gemisinden geriye doğru ışık tutarsak bu ışığın hızı 0.5 c değil c olur ışık hızı göreli sistemlerden bağımsız olarak tek bir hızda gider.
e0 = 8.854 187 817... 10−12 Fm−1 (metre başına farad).
μ0 = 4π 10−7 N A−2
Tarihçe
19. yüzyılda en çok tartışılan konulardan biri, ışığın parçacık mı yoksa dalga mı olduğu sorusuydu. James Clerk Maxwell'in elektromanyetik kuramı ve Hertz'in deneylerinden sonra ışığın dalga olduğu kabul edilmeye başlandı. Ancak bazı deneyler ışığın dalga olduğu gözlemiyle uyuşmuyordu. Karacisim ışıması hakkında Rayleigh ile Jeans'in kurduğu teori bunun zirveye çıktığı yerlerden biriydi. Rayleigh ve Jeans dalga yaklaşımını kullanarak, belli bir sıcaklığa sahip bir cismin etrafa hangi dalga boyunda ne kadar ışıma yapacağını hesaplamaya çalıştılar. Buldukları sonuç, uzun dalga boylarında deneylerle uyumluydu ama düşük dalga boylarında çok büyük bir sapma gösteriyordu. Teorileri, dalga boyu küçüldükçe, yapılan ışımanın sonsuza gideceğini söylüyordu (bu yüzden buna morötesi felaketi denir). Daha sonra Max Planck, ışık dalga olarak değil de enerji paketçikleri olarak düşünülürse bu problemin aşılabileceğini fark etti (bu, Max Planck'a 1918 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandırmıştır). Daha sonra Arthur Compton tarafından açıklanan Compton saçılması olayı ve Albert Einstein'ın açıkladığı Fotoelektrik olay ışığın parçacık yapısını ortaya çıkardı. Fakat girişim ve kırınım deneyleri gibi başka deneyler de ancak ışığın dalga olduğu varsayıldığında açıklanabilmektedir. Şu anda kabul edilen ışığın ikili bir yapısı olduğu ve hem parçacık hem dalga özeliği gösterdiğidir (daha sonraki deneyler bütün maddelerin böyle olduğunu göstermiştir).
Fotonik kristaller
Fotonun momentumu
Işık hızında ilerleyen bir taneciğin momentumu:
Momentumun tam formülü dir. Bu formüle göre hız ışık hızına yaklaştıkça payda sıfıra ve momentum sonsuza yaklaşır. Hız(v) ışık hızına ulaşıldığında payda sıfır ve momentum sonsuz olur yani ışık hızına çıkmak için kütle(m) sonsuza gitmeli bunun için de sonsuz enerji gerekmektedir.
Işık hızına ulaşmak için ise sonsuz momentum gerekmez. fotonların kütlesi(m) sıfır olduğu için çıkar ve belirsizliği ortadan kaldırıldığında fotonun momentumu bulunur, kütlesi olan hiçbir cisim ışık hızına çıkamaz. ışık hızına çıkmanın tek yolu sıfır kütle ile belirsizlik yaratmaktır.
alternatif yol:
Bir taneciğin enerjisi (Einstein formülü):
Bir fotonun enerjisi (Planck formülü):
Foton da bir tanecik olduğu için:
O halde; Fotonun momentumu:
Burada;
: Planck sabiti=, Js biriminde,
: taneciğin dalga boyu, metre birimindedir.
Not
Bu sayfadaki bütün formüllerde:
Joule birimi yerine Elektronvolt,
metre birimi yerine Ångström,
metre/saniye birimi yerine Ångström/saniye (Ångström bölü saniye) kullanılabilir.