Určite ste už niekedy počuli o fotónoch. Mnohokrát sa o ňom hovorí v oblasti chémie a inokedy vo fyzike. Ale čo naozaj je foton? Je to častica svetla, ktorá sa šíri vo vákuu a pohybuje sa konštantnou rýchlosťou. Práve fotón spôsobuje pohyb elektromagnetického žiarenia z jedného bodu do druhého, pričom sa prejavuje v rôznych formách, ktoré môžeme pozorovať na vlastné oči alebo pomocou prístrojov. Práve vďaka fotónom môžeme vidieť viditeľné svetlo a zažiť javy ako teplo infračerveného žiarenia alebo škodlivé účinky ultrafialových lúčov.
Štúdium fotónu pre svoj vedecký význam otvorilo dvere nespočetnému množstvu revolučných výskumov a technológií, ako je vývoj kvantovej teórie, konštrukcia laserov a pokroky v modernej optike. V tomto článku preskúmame všetky jeho detaily: charakteristiky, historické objavy a vedecké pokroky, ako aj jeho úlohu vo svete techniky.
Chcete sa dozvedieť viac o fotónoch? Čítajte ďalej a dozviete sa viac o tom, čo fotóny prispeli k vede a ako formovali naše chápanie sveta.
Čo je to fotón?
Fotón je častica svetla, ktorá prenáša elektromagnetické žiarenie. Fotón, ktorý sa pohybuje vo vákuu rýchlosťou svetla, je zodpovedný za také rozmanité javy ako slnečné žiarenie, ktoré dopadá na našu planétu, signály, ktoré dostávame vo forme mikrovĺn a gama lúče, ktoré prichádzajú z najvzdialenejších kútov Zeme. .
Moderná fotónová teória je rovnako fascinujúca ako zložitá a odráža základnú dualitu: fotóny pôsobia ako častice aj ako vlny. Táto charakteristika duality je jedným zo základných kameňov kvantovej fyziky, ktorá nám umožnila pochopiť obrovské množstvo javov v prírode.
Slovo foton pochádza z gréčtiny „Phos“, čo znamená svetlo. Táto častica je nehmotná, čo jej umožňuje pohybovať sa rýchlosťou svetla (približne 299,792 XNUMX kilometrov za sekundu). Napriek tomu, že nemá žiadnu hmotnosť, nesie energiu, ktorej veľkosť závisí od vlnovej dĺžky žiarenia, ktoré nesie.
V rámci elektromagnetického spektra nájdeme všetko od gama žiarenia s vysokou energiou až po rádiové vlny s nižšou energiou. Medzi týmito extrémami sa nachádza viditeľné svetlo, ktoré sa pohybuje od 400 do 700 nm a je to, čo umožňuje našim očiam zachytiť prostredie prostredníctvom farieb.
Ďalším dôležitým aspektom je, že fotón nemá elektrický náboj a preto nie je ovplyvnená elektrickými alebo magnetickými poľami. Táto vlastnosť je základom jeho správania, pretože mu umožňuje udržiavať jasne priamu trajektóriu vo vákuu.
Vlastnosti a objav
Fotón má rad vlastností, ktoré ho robia jedinečným vo svete elementárnych častíc. Ako sme už spomenuli, je schopný pôsobiť ako vlna aj ako častica. Táto dualita bola v priebehu rokov potvrdená početnými experimentmi, ako je napríklad slávny experiment s dvojitou štrbinou Thomasom Youngom, ktorý ukázal, že keď fotóny prechádzajú cez dve štrbiny, pôsobia ako vlny, ktoré do seba interferujú a vytvárajú interferenčné obrazce na obrazovke.
Na mikroskopickej úrovni sa fotóny správajú ako častice, interagujú s atómami a uvoľňujú presné množstvo energie. Pri javoch, ako je absorpcia alebo emisia svetla, hrajú fotóny rozhodujúcu úlohu: keď atóm absorbuje energiu, elektróny stúpajú na vyššiu energetickú hladinu a po návrate do svojho základného stavu emitujú fotóny a uvoľňujú absorbovanú energiu v procese. .
- energie: Energia prenášaná fotónom priamo súvisí s jeho frekvenciou. Podľa vzorca E = hν (kde E je energia, h je Planckova konštanta a ν je frekvencia) vieme, že energia fotónu sa zvyšuje so zvyšujúcou sa frekvenciou. Gama lúče majú teda oveľa vyššiu energiu ako fotóny viditeľného svetla.
- Lineárna hybnosť: Fotón má tiež lineárnu hybnosť, ktorú možno ľahko vypočítať pomocou vzorca p = E/c, kde p je hybnosť, E je energia fotónu a c je rýchlosť svetla. Tento koncept je kľúčom k efektom, ako je tlak žiarenia, kde fotóny aplikujú malé množstvo sily na objekty, s ktorými interagujú.
Objav fotónu bola zložitá úloha, na ktorej sa podieľalo viacero renomovaných fyzikov. Hoci koncepcia kvantovanie svetla Pôvodne to navrhol Max Planck v roku 1900 na vysvetlenie anomálií pozorovaných pri žiarení čierneho telesa, bol to Albert Einstein, ktorý v roku 1905 navrhol myšlienku, že svetlo sa skladá z malých balíčkov energie, ktoré nazval svetelné kvantá. len vysvetlil fotoelektrický efekt, ale položil základy modernej kvantovej mechaniky.
Názov fotón vymyslel neskôr, v roku 1926, americký fyzik Gilbert N. Lewis, ktorý na označenie týchto svetelných častíc prijal termín odvodený z gréčtiny. Od svojho zavedenia bol tento koncept široko akceptovaný a rozvíjaný rôznymi odvetviami fyziky.
Fyzici, ktorí pomohli pri objave fotónu
Objavy fotónu neboli dielom jediného vedca, ale sú výsledkom práce mnohých fyzikov v priebehu 19. a 20. storočia. Ako sme uviedli, Albert Einstein Bol jedným z hlavných propagátorov konceptu svetelného kvanta, navrhol jeho existenciu na vysvetlenie fotoelektrického javu. Jeho návrhy však boli informované predchádzajúcimi prácami iných fyzikov.
Max Planck Bol nápomocný pri tomto objave, pretože jeho práca o žiarení čierneho telesa zaviedla myšlienku, že energia neprúdi nepretržite, ale v diskrétnych častiach alebo kvantách. Túto myšlienku prevzal Einstein, aby navrhol existenciu fotónu. Planck a Einstein majú preto v histórii objavovania fotónov zásadné miesto.
následne, Arthur Compton vykonal v roku 1923 experimenty s rozptylom röntgenového žiarenia, ktoré poskytli ďalšie dôkazy o korpuskulárnej povahe svetla, čím ďalej upevnili kvantovú teóriu svetla. Tento výsledok potvrdil, že fotón bol vybavený energiou úmernou frekvencii svetla.
Zaujímavou postavou je vedec Gilbert N. Lewis, ktorej práca viedla k vytvoreniu pojmu „fotón“. Hoci jeho teória svetla bola opustená, názov „fotón“ pretrval a stal sa súčasťou populárneho vedeckého jazyka.
Dynamika a prevádzka dnes
Štúdium fotónov nám v súčasnosti umožnilo nielen pochopiť veľkú časť prírodných javov, ale umožnilo aj významný technologický pokrok. Jednou z najvýznamnejších oblastí je fotonika, ktorá sa venuje manipulácii s fotónmi pri vytváraní inovatívnych technológií.
Vývoj internetu laser je jasným príkladom toho, ako štúdium fotónov viedlo k významnému technologickému pokroku. Laser je koncentrácia fotónov vo vysoko koherentnom a usporiadanom lúči, ktorý má viacero aplikácií: od medicíny po telekomunikácie.
Okrem toho sa fotóny používajú na meranie molekulárnych vzdialeností a interakcie medzi molekulami, čo je kľúčové pre vedecký výskum v oblastiach, ako je biochémia a molekulárna medicína. The mikroskopy s vysokým rozlíšením Na základe využitia fotónov umožňujú vizualizáciu štruktúr s veľkou presnosťou, čo je v biomedicínskom výskume nevyhnutné.
Na priemyselnej úrovni sú detekcia a využitie fotónov kľúčové aj v aspektoch, ako napr optické komunikácie, kde sa informácie prenášajú prostredníctvom fotónov. To umožnilo masívny rozvoj technológií, ako je vysokorýchlostný internet, ktorý do značnej miery závisí od používania káblov z optických vlákien, cez ktoré cestujú fotóny, ktoré prenášajú digitalizované informácie.
Moderné technologické aplikácie
Fotóny spôsobili revolúciu v technologických oblastiach vďaka ich použitiu v rôznych oblastiach. Dve z jeho najvýznamnejších aplikácií sú laser a optická komunikácia. Lasery napríklad používajú vysoko organizované fotóny na presné rezy v chirurgii alebo na zváranie v priemyselných odvetviach.
- medicína: Vysoko presné lasery umožňujú menej invazívne operácie, zatiaľ čo fototerapia sa používa na liečbu rôznych stavov, ako je rakovina a kožné problémy.
- Telekomunikácie: Ako súčasť optiky zohrávajú fotóny kľúčovú úlohu pri prenose dát vysokou rýchlosťou, často v kábloch z optických vlákien na prenos internetových alebo televíznych signálov.
- Mikroskopia: Pokroky v optickej mikroskopii zahŕňajú použitie fotónov na zachytenie obrázkov s bezprecedentným rozlíšením, ktoré bolo základom pre biomedicínsky výskum.
Stručne povedané, vedecké pokroky súvisiace s fotónmi spôsobili revolúciu v modernom svete v rôznych odvetviach, pomohli nám lepšie pochopiť svet okolo nás a ponúkli nám nové technológie, ktoré zvyšujú kvalitu nášho života.