פוטון

פוטון
Military laser experiment.jpg
פוטונים הנפלטים בקרן קוהרנטית מלייזר
מידע כללי
הרכבחלקיק יסודי
סטטיסטיקהבוזון
קבוצת שיוךבוזון כיול
אנטי-חלקיקעצמו
סמלγ
תכונות
מסת מנוחה0 kg
0 MeV/c2
מטען חשמלי0 e
ספין1 ħ
מספר לפטוני0
מספר באריוני0
מטען צבע0
אינטראקציותאלקטרומגנטיות, הכוח החלש, כבידה
אורך חייםיציב
היסטוריה
נצפה?כן
שנת גילוי1905[1]
הכרהלשנת 1921

פוֹטוֹן (Photon) הוא חלקיק יסודי הנושא את הכוח האלקטרומגנטי. הפוטון הוא בוזון כיול חסר מסה ומטען חשמלי, בעל ספין של 1. כל פוטון נושא אנרגיה ומהווה מנה (קוונטום) של קרינה אלקטרומגנטית, לרבות אור וגלי רדיו. אנרגיית הפוטון נקבעת אך ורק לפי התדר, או לפי אורך הגל, של הפוטון (לחלופין, התדר ואורך הגל נקבעים לפי אנרגיית הפוטון). ההבדל בין אנרגיות פוטון שונות אחראי למגוון רחב של תופעות, לרבות צבעי האור הנראה, תדרים שונים של שידורי רדיו, ההבחנה בין קרינה מייננת לקרינה בלתי מייננת ועוד.

לפוטון, כמו לחלקיקים אחרים, ישנן תכונות הן של גל והן של חלקיק, תופעה המכונה "דואליות גל-חלקיק".[2] התופעות דמויות-גל שמציגים פוטונים הן, לדוגמה, שבירה על ידי עדשה והתאבכות. התכונות החלקיקיות של הפוטון הן, בין השאר, פיזור והעברת אנרגיה במנות בדידות. פוטון שעובר אינטראקציה מלאה עם אטום או עם מולקולה נבלע ומוסר, או נפלט ומקבל, את כל האנרגיה שלו תוך כך. בעקבות האינטראקציה, עוברים האטום או המולקולה עירור או יינון. עבור אור בתחום הנראה, האנרגיה הנישאת על ידי פוטון יחיד של אור ירוק היא כ-‎4×10-19ג'ול בקירוב, כמות אנרגיה המספיקה לעורר מולקולה יחידה של תא קולט אור בעין, וליצור בכך אות עצבי שהוא הבסיס הפיזיולוגי לראייה. פוטונים מקיימים מגוון רחב של אינטראקציות עם חומר, כגון אפקט קומפטון, בו משנה הפוטון את האנרגיה אותה הוא נושא ולכן גם את אורך הגל שלו, ויצירת זוג, תהליך בו אלקטרון ופוזיטרון נוצרים מפוטון בודד העובר ליד אטום כבד. פוטונים יכולים להיפלט מגרעין אטום לא יציב בצורת קרינת גמא, וכמו כן הם יכולים להיפלט על ידי חלקיקים טעונים הנמצאים בתאוצה.[3]

באלקטרודינמיקה קוונטית, הפוטון יכול לשמש כמתווך בתהליכים אלקטרומגנטיים, כלומר, האינטראקציה מתרחשת באמצעות החלפת פוטונים בין חלקיקים טעונים. למעשה, כל השדות החשמליים והמגנטיים ניתנים לתיאור באמצעות פוטונים. לפי המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, קיום הפוטון הוא תוצאה של הדרישה כי לחוקים הפיזיקליים תהיה סימטריה מסוימת בכל נקודה במרחב-זמן. תכונות הפוטונים, כגון מטען חשמלי, מסה וספין, נקבעות על ידי מאפייני סימטריה זו (סימטריית כיול).

הרעיון כי האור נישא במנות בדידות, כלומר באמצעות פוטונים, פותח על ידי אלברט איינשטיין החל מ-1905.[4] איינשטיין פירש את הנוסחה שהציע מקס פלאנק על מנת להסביר את הספקטרום של קרינת גוף שחור:

E = hν

כאשר h הוא קבוע פלאנק. איינשטיין זיהה את E עם אנרגיית קוונט אחד של קרינה אלקטרומגנטית, שלימים נקרא פוטון, ואת ν עם תדר הקרינה. באמצעות מודל הפוטונים, הצליח איינשטיין להסביר את האפקט הפוטואלקטרי. הנוסחה E = hν מכונה נוסחת פלאנק-איינשטיין (Planck-Einstein formula). יחד עם הפיזיקאי ההודי סאטינדרה נאת בוז, איינשטיין סיפק תיאור סטטיסטי של אור, המסביר את קרינת פלאנק. בנוסף, מתוך שיקולים סטטיסטיים, הסיק איינשטיין את קיומו של מנגנון הפליטה המאולצת וכן מצא קשרים בין מקדמי הבליעה והפליטה של אור על ידי חומר.

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, כמו 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").[5] 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[6] 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 ו אדוארד אנדרד שהן למעשה קרינה אלקטרומגנטית. בכימיה וב הנדסה אופטית, פוטונים וקרינה אלקטרומגנטית מסומנים פעמים רבות hν.[7]