פוטון

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

הפוֹטוֹןאנגלית: Photon) הוא החלקיק היסודי המייצג מנה (קוונטום) של אור, הנושא את הכוח האלקטרומגנטי. זהו בוזון כיול חסר מסה ומטען חשמלי בעל ספין 1. שטף של פוטונים הוא למעשה קרינה אלקטרומגנטית. ניתן לאפיין פוטונים לפי אורכי הגל ולהסביר באמצעותם מגוון רחב של תופעות פיזיקליות הכוללות את צבעי האור הנראה, שידורי רדיו, קרני רנטגן, וכדומה.

לפוטון, כמו לחלקיקים אחרים, ישנן תכונות הן של גל והן של חלקיק, תופעה הנקראת "דואליות גל-חלקיק"[2]. התופעות דמויות-גל שמציגים הפוטונים, 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 ירוק בריק 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. לפוטונים ישנן אינטראקציות נוספות עם החומר, כמו אפקט קומפטון, בו משנה הפוטון את האנרגיה אותה נושא ולכן גם את אורך הגל, ויצירת זוג, שבה 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 משנת 1905[4]. איינשטיין נתן פירוש לנוסחה שאותה הציע מקס פלאנק על-מנת להסביר את הספקטרום של קרינת גוף שחור: [5]. איינשטיין זיהה את E עם אנרגיית קוונט אחד של קרינה אלקטרומגנטית, שלימים נקרא פוטון, ואת עם התדירות של הקרינה. באמצעות מודל הפוטונים הצליח איינשטיין להסביר את האפקט הפוטואלקטרי, ויחד עם הפיזיקאי ההודי סאטינדרה נאת בוז הוא 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")[6]. 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[7] 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 באות היוונית גמא, . מקור הסמל, ככל הנראה, בקרינת גמא. קרניים אלה נתגלו בשנת 1900 על ידי פול אולריך וילארד, ובשנת 1914 הראו ארנסט רתרפורד ו אדוארד אנדרד שהן למעשה צורת קרינה אלקטרומגנטית. בכימיה וב הנדסה אופטית, פוטונים וקרינה אלקטרומגנטית מסומנים פעמים רבות ב-[8].