Foton

Foton, fizik biliminde elektromanyetik alanın kuantumu, ışığın temel "birimi" ve tüm elektromanyetik ışınların kalıbı olan ve kuantum alan teorisine göre hareket eden[2] parçacıktır. Foton ayrıca elektromanyetik kuvvet'in kuvvet taşıyıcısıdır. Bu kuvvetin etkileri hem mikroskobik ölçülerde, hem de makroskobik ölçülerde çok rahat bir şekilde gözlemlenebilir. Çünkü foton herhangi bir durağan kütleye sahip değildir ve bu durum uzak mesafelerde etkileşimlere izin vermektedir. Diğer bütün temel parçacıklar gibi foton da kuantum mekaniği ile yönetilir 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

Lazer ışını ile deney yapan bilim insanı
İstatistik	Bozon
Etkileşim(ler)	Elektromanyetik
Sembol	γ, h ν ya da ħ ω
Teorileştirme	Albert Einstein
Kütle	<1×10−18 eV/c^2
Ortalama yaşam süresi	Sabit[1]
Spin	1

Fotonun modern kuramı Albert Einstein tarafından açıklanmıştır. Einstein'ın buna ihtiyaç duyma nedeni yaptığı gözlemlerin klasik ışığın dalga modeli ile tam olarak açıklanamamasıdır.

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; 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 bile etkilenir.

• ${\displaystyle E\,}$ : enerji miktarı
• ${\displaystyle h=6.6\times 10^{-34}Js\,}$ : Planck sabiti
• ${\displaystyle f\,}$: frekans

Işık dalga özelliklerine de sahiptir. Etkileşimlere parçacık olarak girebilir ancak dalga olarak yayılır.

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:

${\displaystyle P=m\cdot c\,}$

Bir taneciğin enerjisi (Einstein formülü):

${\displaystyle E=m\cdot c^{2}\,}$

Bir fotonun enerjisi (Planck formülü):

${\displaystyle E={\frac {h\cdot c}{\lambda }}\,}$

Foton da bir tanecik olduğu için:

${\displaystyle {\frac {h\cdot c}{\lambda }}=m\cdot c^{2}\,}$

O halde; Fotonun momentumu:

${\displaystyle P={\frac {h}{\lambda }}\,}$

Burada;[3]

${\displaystyle h\,}$: Planck sabiti=${\displaystyle 6,63x10^{-34}\,}$[4], J·s biriminde,

${\displaystyle \lambda \,}$: 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.

Kaynakça

1. Ayar ve Higgs bozonları için resmi parçacık tablosu 28 Aralık 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. Erişim 24 Ekim 2006
2. "Kuantum Alan Teorisi". Kozmik Anafor. 31 Ekim 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi.
3. İngilizce Vikipedi'deki Planck constant sayfasının 26 Ocak 2012 tarihindeki sürümü
4. Basit İngilizce Vikipedi'deki (simple.wikipedia.org) Planck constant sayfasının 25 Ocak 2012 tarihindeki sürümü

Dış bağlantılar

• Foton ve Fiziksel Özellikleri - KBT Bilim9 Eylül 2012 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.