Фото́н (від , род. відм. , «світло») — квант електромагнітного випромінювання (у вузькому розумінні — світла), елементарна частинка, що є носієм електромагнітної взаємодії.
Це безмасова частинка, яка здатна існувати у вакуумі тільки рухаючись зі швидкістю світла. Електричний заряд фотона також дорівнює нулю. Фотон може перебувати лише у двох спінових станах з проєкцією спіна на напрямок руху (спіральністю) ±1. У фізиці фотони позначаються літерою .
Класична електродинаміка описує фотон як електромагнітну хвилю з круговою правою чи лівою поляризацією. З точки зору класичної квантової механіки, фотону як квантовій частинці властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, він проявляє одночасно властивості частинки і хвилі. Квантова електродинаміка, яка базується на квантовій теорії поля і Стандартній моделі, описує фотон як калібрувальний бозон, який забезпечує електромагнітну взаємодію: віртуальні фотони є квантами-носіями електромагнітного поля і забезпечують взаємодію між двома електричними чи магнітними зарядами. Їм приписується спін 1.
Фотони є істинно нейтральними частинками, і не мають античастинок. Фотон сам є власною античастинкоюІснують нейтральні частинки, які мають античастинки, наприклад, нейтрино..
Історія
Сучасна теорія світла базується на роботах багатьох вчених. Квантовий характер випромінювання і поглинання енергії електромагнітного поля був постульований Максом Планком в 1900 році для пояснення властивостей теплового випромінювання. Термін «фотон» введено хіміком Гілбертом Льюїсом в 1926 році. В 1905–1917 роках Альберт Ейнштейн опублікував . Англійський переклад доступний у Вікіджерелах. . Англійський переклад доступний у Вікіджерелах. Також Physikalische Zeitschrift, 18, 121—128 (1917). ряд робіт, присвячених протиріччям між результатами експериментів та класичною хвильовою теорією світла, зокрема фотоефекту і здатності речовини перебувати в тепловій рівновазі з електромагнітним випромінюванням.
Робилися спроби пояснити квантові властивості світла напівкласичними моделями, в яких світло, як і раніше, описувалося рівняннями Максвелла без врахування квантування, а об'єктам, що випромінювали та поглинали світло, приписувалися квантові властивості (див., наприклад, теорію Бора). Незважаючи на те, що напівкласичні моделі вплинули на розвиток квантової механіки (про що, зокрема, свідчить те, що деякі їхні положення і навіть наслідки в явному вигляді входять у сучасні квантові теорії), експерименти підтвердили правоту Ейнштейна про квантову природу світла (див., наприклад, фотоефект). Слід відмітити, що квантування енергії електромагнітного випромінювання не є винятком. У сучасній теорії значення багатьох фізичних величин є дискретними (квантованими). Прикладами таких величин є: кутовий момент, спін та енергія зв'язаних систем.
Введення поняття фотона сприяло створенню нових теорій та фізичних приладів, а також стимулювало розвиток експериментальної та теоретичної бази квантової механіки. Наприклад, були винайдені мазер, лазер, відкрите явище конденсації Ейнштейна, сформульована квантова теорія поля та ймовірнісна інтерпретація квантової механіки. У сучасній Стандартній моделі фізики елементарних частинок існування фотонів є наслідком того, що фізичні закони інваріантні відносно локальної калібрувальної симетрії у будь-якій точці простору-часу (див. детальніший опис нижче в розділі Фотон як калібрувальний бозон). Цією ж симетрією визначаються внутрішні властивості фотона, такі як електричний заряд, маса та спін.
Концепція фотонів застосовується у фотохімії, відеотехніці, комп'ютерній томографії, мікроскопії високої роздільності та вимірюванні міжмолекулярних відстаней. Фотони також використовуються як елементи квантових комп'ютерів і наукомістких приладів для передачі даних (див. квантова криптографія).
Історія назви та позначення Альберт Ейнштейн спочатку назвав фотон «світловим квантом» (). Сучасна назва, яку фотон отримав від грецького слова , «phōs» («світло»), була введена в 1926 хіміком Гілбертом Льюїсом, який опублікував свою теорію , в якій фотони вважалися «нестворюваними і незнищуваними». Хоча теорія Льюїса не була підтверджена, суперечила експериментальним даним, нова назва для квантів електромагнітного поля почала використовуватися багатьма фізиками.
У фізиці фотон зазвичай позначається символом (грецька літера гамма). Це позначення походить від назви гамма-випромінювання, відкритого в 1900 році, яке складається з достатньо високоенергетичних фотонів. Гамма-випромінювання, один із трьох видів (-, - і -промені) іонізувальної радіації, що випромінювалися відомими в той час радіоактивними речовинами, відкрив Пауль Віллард. Електромагнітну природу гамма-променів довели в 1914 році Ернест Резерфорд і . У хімії та оптичній інженерії для фотонів часто використовують позначення , де — стала Планка і (грецька літера ню) — частота фотонів. Добуток цих двох величин є енергією фотона.
Історія розвитку концепції фотона
У більшості теорій, розроблених до XVIII століття, світло розглядалося як потік частинок. Одна з перших таких теорій була викладена у «Книзі про оптику» Ібн аль-Хайсамом в 1021 році. У ній вчений описував світловий промінь у вигляді потоку дуже дрібних частинок, які «відчувають недостачу всіх помітних якостей, крім енергії». Оскільки подібні моделі не змогли пояснити такі явища як рефракція, дифракція та подвійне променезаломлення, була запропонована хвильова теорія світла, засновниками якої стали Рене Декарт (1637) , Роберт Гук (1665), і Християн Гюйгенс (1678) . An English translation is available from Project Gutenberg (проект «Гутенберг»). Однак моделі, що базувалися на ідеї дискретної будови світла, залишалися домінуючими, значною мірою через вплив авторитета Ісаака Ньютона, який дотримувався цих теорій. На початку XIX століття Томас Юнг та Огюстен Френель наочно продемонстрували у своїх дослідах явища інтерференції та дифракції світла, після чого приблизно до 1850 року хвильові моделі стали загальноприйнятими. У 1865 році Джеймс Максвелл припустив у рамках своєї теорії Ця стаття була опублікована після доповіді Максвелла Королівському товариству 8 грудня 1864 року., що світло — електромагнітна хвиля. У 1888 році ця гіпотеза була підтверджена експериментально Генріхом Герцом, який виявив радіохвилі.
Хвильова теорія Максвелла не змогла, однак, пояснити всіх властивостей світла. Згідно з цією теорією енергія світлової хвилі повинна залежати лише від її інтенсивності, але не від частоти. Насправді ж результати деяких експериментів показали, що передана від світла атомам енергія, навпаки, залежить лише від частоти світла, а не від інтенсивності. Наприклад, деякі хімічні реакції можуть початися тільки при опроміненні речовини світлом, частота якого вища від певного порогового значення; випромінювання, частота якого нижча від цього значення, незалежно від інтенсивності, не може ініціювати реакцію. Аналогічно, електрони можуть бути вирвані з поверхні металічної пластини лише при опроміненні її світлом, частота якого вища від певного значення, так званої ; енергія вирваних електронів залежить лише від частоти світла, але не від його інтенсивності.Залежність люмінесценції від частоти, с. 276f, фотоелектричний ефект, розділ 1.4 у книзі
Дослідження властивостей випромінювання абсолютно чорного тіла, яке здійснювалося протягом майже сорока років (1860–1900) , завершились висуненням гіпотези Макса Планка про те, що енергія будь-якої системи при випромінюванні чи поглинанні електромагнітного випромінювання частоти може змінюватися лише на величину, кратну енергії кванта (тобто дискретно), де стала Планка. Альберт Ейнштейн показав, що таке уявлення про квантування енергії повинно бути прийняте, щоб пояснити спостережувану теплову рівновагу між речовиною та електромагнітним випромінюванням. На цій же основі ним був теоретично описаний фотоелектричний ефект, за цю роботу Ейнштейн отримав у 1921 році Нобелівську премію з фізики. Теорія Максвелла, навпаки, припускає, що електромагнітне випромінювання може мати яку завгодно енергію (тобто не квантується).
Багато фізиків спочатку вважали, що квантування енергії це результат якоїсь невідомої властивості матерії, яка поглинає та випромінює електромагнітні хвилі. У 1905 році Ейнштейн висловив припущення, що квантування енергії — властивість самого електромагнітного випромінювання. Визнаючи справедливість теорії Максвелла, Ейнштейн вказав, що багато аномальних на той час результатів експериментів можуть бути пояснені, якщо енергію світлової хвилі локалізувати у кванти, подібні до частинок, які рухаються незалежно один від одного, навіть якщо хвиля неперервно поширюється у просторі.
У 1909 і 1916 роках, Ейнштейн показав, виходячи зі справедливості закону випромінювання абсолютно чорного тіла, що квант енергії повинен також мати імпульс . Імпульс фотона був виявлений експериментально Артуром Комптоном, за цю роботу він отримав Нобелівську премію з фізики у 1927 році. Однак питання узгодження хвильової теорії Максвелла з експериментальним обґрунтуванням дискретної природи світла залишалося відкритим. Деякі автори стверджували, що випромінювання та поглинання електромагнітних хвиль відбувається порціями, квантами, однак процеси поширення хвилі неперервні. Квантовий характер явищ випромінювання і поглинання доводить наявність у мікросистем, зокрема в електромагнітного поля, окремих енергетичних рівнів і неможливість мікросистеми мати довільну величину енергії. Корпускулярні уявлення добре узгоджуються з експериментально спостережуваними закономірностями випромінювання та поглинання електромагнітних хвиль, зокрема, із закономірностями теплового випромінювання та фотоефекту. Однак, на їхню думку, експериментальні дані свідчать про те, що квантові властивості електромагнітної хвилі не проявляються при поширенні, розсіюванні, дифракції електромагнітних хвиль, якщо вони не супроводжуються втратою енергії. У процесах поширення електромагнітна хвиля не локалізована в певній точці простору, поводить себе як єдине ціле і описується рівняннями Максвелла. Розв'язок було знайдено в рамках квантової електродинаміки (див. розділ корпускулярно-хвильовий дуалізм нижче) та її наступниці Стандартної моделі.
Відповідно до квантової електродинаміки електромагнітне поле в об'ємі куба з довжиною ребра можна подати у вигляді плоских стоячих хвиль, сферичних хвиль або плоских біжних хвиль . Об'єм при цьому вважається заповненим фотонами з розподілом енергії , де — ціле число. Взаємодія фотонів із речовиною призводить до зміни кількості фотонів на (випромінювання або поглинання).
Спроби зберегти теорію Максвелла
Як згадується в нобелівській лекції Роберта Міллікена, передбачення, зроблені в 1905 році Ейнштейном, були перевірені експериментально кількома незалежними способами у перші два десятиліття XX століття<ref name="Millikan1923"> Опубліковано 23 травня 1924 року. </ref>. Тим не менш, до знаменитого експерименту Комптона ідея квантової природи електромагнітного випромінювання не була серед фізиків загальноприйнятою (див., наприклад, Нобелівські лекції Вільгельма Віна, Макса Планка і Роберта Міллікена), що було пов'язано з успіхами хвильової теорії світла Максвелла. Деякі фізики вважали, що квантування енергії в процесах випромінювання та поглинання світла було наслідком якихось властивостей речовини, яка випромінювала чи поглинала світло. Нільс Бор, Арнольд Зоммерфельд та інші вчені розробляли моделі атома з дискретними рівнями енергії, які пояснювали наявність спектрів випромінювання та поглинання у атомів і, більше того, чудово узгоджувалися зі спостережуваним спектром водню (правда, отримати спектри інших атомів у цих моделях не вдавалося) . Тільки розсіювання фотона вільним електроном, який не мав (за тодішніми уявленнями) внутрішньою структури, а, отже, і енергетичних рівнів, змусило багатьох фізиків визнати квантову природу світла.