Foton

Foton ⓘ
	Fotonlar dışarıdaki camgöbeği lazer ışını, kalsitin içindeki turuncu lazer ışını ve floresan tarafından yayılır
Kompozisyon	Temel parçacık
İstatistikler	Bosonic
Aile	Gauge bozonu
Etkileşimler	Elektromanyetik, Zayıf (ve Yerçekimi)
Sembol	γ
Teorileştirilmiş	Albert Einstein (1905) ; "Foton" ismi genellikle Gilbert N. Lewis'e (1926) atfedilir
Kütle	0 (teorik değer); < 1×10-18 eV/c2 (deneysel sınır)
Ortalama yaşam süresi	Kararlı
Elektrik yükü	0 ; < 1×10-35 e
Renk şarjı	0
Spin	1
Spin durumları	İki: +1 ℏ, -1 ℏ
Parite	−1
C paritesi	−1
Yoğunlaştırılmış	I(JP C)=0,1(1--)

Foton (Eski Yunanca φῶς, φωτός (phôs, phōtós) 'ışık'), ışık ve radyo dalgaları gibi elektromanyetik radyasyon dahil olmak üzere elektromanyetik alanın bir kuantumu ve elektromanyetik kuvvet için kuvvet taşıyıcısı olan temel bir parçacıktır. Fotonlar kütlesizdir, bu nedenle her zaman boşlukta ışık hızında, 299792458 m/s (veya yaklaşık 186,282 mi/s) hareket ederler. Foton bozonlar sınıfına aittir. ⓘ

Tüm temel parçacıklar gibi fotonlar da şu anda en iyi kuantum mekaniği ile açıklanmakta ve hem dalga hem de parçacık özelliklerine sahip davranışlarıyla dalga-parçacık ikiliği sergilemektedir. Modern foton kavramı 20. yüzyılın ilk yirmi yılında Max Planck'ın araştırmaları üzerine inşa edilen Albert Einstein'ın çalışmalarıyla ortaya çıkmıştır. Madde ve elektromanyetik radyasyonun birbiriyle nasıl termal dengede olabileceğini açıklamaya çalışırken Planck, maddi bir nesne içinde depolanan enerjinin tam sayıdaki ayrık, eşit büyüklükteki parçalardan oluşmuş olarak kabul edilmesi gerektiğini öne sürmüştür. Einstein, fotoelektrik etkiyi açıklamak için ışığın kendisinin ayrık enerji birimlerinden oluştuğu fikrini ortaya attı. Gilbert N. Lewis 1926'da bu enerji birimleri için foton terimini popüler hale getirdi. Daha sonra, birçok başka deney Einstein'ın yaklaşımını doğruladı. ⓘ

Parçacık fiziğinin Standart Modelinde fotonlar ve diğer temel parçacıklar, uzayzamanın her noktasında belirli bir simetriye sahip fiziksel yasaların gerekli bir sonucu olarak tanımlanır. Parçacıkların yük, kütle ve spin gibi içsel özellikleri gauge simetrisi tarafından belirlenir. Foton kavramı, lazerler, Bose-Einstein yoğunlaşması, kuantum alan teorisi ve kuantum mekaniğinin olasılıksal yorumu dahil olmak üzere deneysel ve teorik fizikte önemli ilerlemelere yol açmıştır. Fotokimya, yüksek çözünürlüklü mikroskopi ve moleküler mesafelerin ölçümlerine uygulanmıştır. Ayrıca, fotonlar kuantum bilgisayarların unsurları olarak ve kuantum kriptografi gibi optik görüntüleme ve optik iletişim uygulamaları için incelenmiştir. ⓘ

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

İsimlendirme

Fotoelektrik etki: Işık kuantumlarının - fotonların - neden olduğu metal bir plakadan elektronların yayılması. ⓘ

1926 Gilbert N. Lewis'in "foton" kelimesini yaygın kullanıma sokan mektubu ⓘ

Kuanta kelimesi (tekil kuantum, Latince ne kadar anlamına gelir) 1900'den önce elektrik de dahil olmak üzere farklı miktarlardaki parçacıkları veya miktarları ifade etmek için kullanılıyordu. 1900 yılında Alman fizikçi Max Planck kara cisim radyasyonu üzerinde çalışıyordu ve özellikle kısa dalga boylarındaki deneysel gözlemlerin, bir molekül içinde depolanan enerjinin "enerji elementleri" olarak adlandırdığı "sonlu sayıda eşit parçadan oluşan ayrık bir miktar" olması halinde açıklanabileceğini öne sürdü. 1905 yılında Albert Einstein, kara cisim ışıması ve fotoelektrik etki de dahil olmak üzere ışıkla ilgili pek çok olgunun, elektromanyetik dalgaların uzamsal olarak yerelleştirilmiş, ayrık dalga paketlerinden oluşacak şekilde modellenmesiyle daha iyi açıklanabileceğini öne sürdüğü bir makale yayınladı. Böyle bir dalga paketine ışık kuantumu (Almanca: das Lichtquant) adını verdi. ⓘ

Foton ismi Yunanca ışık anlamına gelen φῶς (phôs olarak çevrilmiştir) kelimesinden türemiştir. Arthur Compton 1928'de, 18 Aralık 1926'da Nature dergisine yazdığı bir mektupta bu terimi kullanan G.N. Lewis'e atıfta bulunarak fotonu kullanmıştır. Aynı isim daha önce de kullanılmış ancak Lewis'ten önce yaygın olarak benimsenmemişti: 1916'da Amerikalı fizikçi ve psikolog Leonard T. Troland, 1921'de İrlandalı fizikçi Joly, 1924'te Fransız fizyolog René Wurmser (1890-1993) ve 1926'da Fransız fizikçi Frithiof Wolfers (1891-1971) tarafından. Bu isim başlangıçta gözün aydınlatılması ve bunun sonucunda ortaya çıkan ışık hissiyle ilgili bir birim olarak önerilmiş ve daha sonra fizyolojik bir bağlamda kullanılmıştır. Wolfers ve Lewis'in teorileri birçok deneyle çürütülmüş ve asla kabul görmemiş olsa da, yeni isim Compton'un kullanmasından çok kısa bir süre sonra çoğu fizikçi tarafından benimsenmiştir. ⓘ

Fizikte foton genellikle $γ$ (Yunanca gama harfi) sembolü ile gösterilir. Foton için kullanılan bu sembol muhtemelen 1900 yılında Paul Villard tarafından keşfedilen, 1903 yılında Ernest Rutherford tarafından adlandırılan ve 1914 yılında Rutherford ve Edward Andrade tarafından elektromanyetik radyasyonun bir formu olduğu gösterilen gama ışınlarından türemiştir. Kimya ve optik mühendisliğinde fotonlar genellikle foton enerjisi olan $hν$ ile sembolize edilir, burada h Planck sabitidir ve Yunan harfi $ν$ (nu) fotonun frekansıdır. Çok daha az yaygın olarak, foton $hf$ ile sembolize edilebilir, burada frekansı f ile gösterilir. ⓘ

Fiziksel özellikler

Bir foton kütlesizdir, elektrik yükü yoktur ve kararlı bir parçacıktır. Boşlukta bir fotonun üç olası kutuplaşma durumu vardır. Foton elektromanyetizma için ayar bozondur ve bu nedenle fotonun diğer tüm kuantum sayıları (lepton sayısı, baryon sayısı ve flavour kuantum sayıları gibi) sıfırdır. Ayrıca, foton Pauli dışlama ilkesine değil, Bose-Einstein istatistiklerine uyar. ⓘ

Fotonlar birçok doğal süreçte yayılır. Örneğin, bir yük hızlandırıldığında senkrotron radyasyonu yayar. Daha düşük bir enerji seviyesine moleküler, atomik veya nükleer bir geçiş sırasında, radyo dalgalarından gama ışınlarına kadar çeşitli enerjilerde fotonlar yayılacaktır. Fotonlar ayrıca bir parçacık ve ona karşılık gelen antiparçacık yok olduğunda da yayılabilir (örneğin, elektron-pozitron yok olması). ⓘ

Relativistik enerji ve momentum

Koni, bir fotonun dalga 4-vektörünün olası değerlerini göstermektedir. "Zaman" ekseni açısal frekansı (rad⋅s-1) ve "uzay" ekseni açısal dalga sayısını (rad⋅m-1) verir. Yeşil ve çivit mavisi sol ve sağ polarizasyonu temsil etmektedir ⓘ

Boş uzayda foton c (ışık hızı) ile hareket eder ve enerjisi ve momentumu E = p c ile ilişkilidir, burada p momentum vektörü p'nin büyüklüğüdür. Bu, $m = 0$ olmak üzere aşağıdaki rölativistik ilişkiden türetilmiştir:

E^{2}=p^{2}c^{2}+m^{2}c^{4}~.

ⓘ

Bir fotonun enerjisi ve momentumu yalnızca frekansına bağlıdır ( $\nu$ ) veya tersine, dalga boyu ( $λ$ ):

E=\hbar \,\omega =h\,\nu ={\frac {\,h\,c\,}{\lambda }}

ⓘ

{\boldsymbol {p}}=\hbar \,{\boldsymbol {k}}~,

ⓘ

burada k dalga vektörüdür, burada

k ≡ |k| = dalga sayısıdır ve
$ω \equiv 2 π ν$ açısal frekanstır ve
ħ ≡ indirgenmiş Planck sabitidir. ⓘ

$p$ fotonun yayılma yönünü gösterdiğinden, momentumunun büyüklüğü ⓘ

p\equiv \left|{\boldsymbol {p}}\right|=\hbar \,k={\frac {\,h\,\nu \,}{c}}={\frac {\,h\,}{\lambda }}~.

ⓘ

Polarizasyon ve açısal momentum

Foton ayrıca spin açısal momentumu (doğrusal veya dairesel foton kutuplaşması ile ilgilidir) ve yörünge açısal momentumu adı verilen iki başka nicelik taşır. ⓘ

Spin açısal momentum

Işığın spin açısal momentumu frekansına bağlı değildir ve 1931 yılında Raman ve Bhagavantam tarafından deneysel olarak doğrulanmıştır. ⓘ

Fotonlar her zaman ışık hızında hareket ettiğinden, spin en iyi şekilde hareket yönü boyunca ölçülen bileşen, yani $+ħ$ veya -ħ olması gereken sarmallığı cinsinden ifade edilir. Sağ elli ve sol elli olarak adlandırılan bu iki olası sarmallık, fotonun iki olası dairesel polarizasyon durumuna karşılık gelir. ⓘ

Bu formüllerin önemini göstermek için, serbest uzayda bir parçacığın antiparçacığı ile yok olması, aşağıdaki nedenden dolayı en az iki fotonun yaratılmasıyla sonuçlanmalıdır: Momentum merkezi çerçevesinde, çarpışan antiparçacıkların net momentumu yoktur, oysa tek bir fotonun her zaman momentumu vardır (gördüğümüz gibi, momentum fotonun frekansı ya da dalga boyu tarafından belirlenir ve sıfır olamaz). Dolayısıyla, momentumun korunumu (ya da eşdeğer olarak öteleme değişmezliği) sıfır net momentuma sahip en az iki fotonun yaratılmasını gerektirir. İki fotonun enerjisi ya da eşdeğer olarak frekansları, dört momentumun korunumundan belirlenebilir. ⓘ

Başka bir şekilde bakıldığında, foton kendi karşıt parçacığı olarak düşünülebilir (bu nedenle bir "karşıt foton" basitçe zıt momentumlu, eşit polarizasyonlu ve 180° faz dışı normal bir fotondur). Ters süreç olan çift üretimi, gama ışınları gibi yüksek enerjili fotonların maddeden geçerken enerji kaybettiği baskın mekanizmadır. Bu süreç, bir atom çekirdeğinin elektrik alanında izin verilen "bir fotona yok olma "nın tersidir. ⓘ

Elektromanyetik radyasyonun enerji ve momentumuna ilişkin klasik formüller foton olayları cinsinden yeniden ifade edilebilir. Örneğin, elektromanyetik radyasyonun bir nesne üzerindeki basıncı, birim zaman ve birim alan başına foton momentumunun o nesneye aktarılmasından kaynaklanır, çünkü basınç birim alan başına kuvvettir ve kuvvet de birim zaman başına momentumdaki değişimdir. ⓘ

Yörüngesel açısal momentum

Her foton iki farklı ve bağımsız açısal momentum biçimi taşır: spin ve yörüngesel açısal momentum. Yukarıda tartışıldığı gibi, belirli bir fotonun ışığının spin açısal momentumu her zaman ya $+ħ$ , $0$ ya da -ħ'dir. Buna karşılık, belirli bir fotonun ışık yörüngesel açısal momentumu sıfır da dahil olmak üzere herhangi bir $N$ tamsayısı olabilir. ⓘ

Foton kütlesi üzerine deneysel kontroller

Şu anda yaygın olarak kabul gören fiziksel teoriler fotonun kesinlikle kütlesiz olduğunu ima etmekte ya da varsaymaktadır. Eğer foton kesinlikle kütlesiz bir parçacık olmasaydı, boşlukta tam olarak ışık hızında, c, hareket etmezdi. Hızı daha düşük olacak ve frekansına bağlı olacaktır. Görelilik bundan etkilenmeyecektir; ışık hızı olarak adlandırılan c, ışığın hareket ettiği gerçek hız değil, herhangi bir nesnenin uzay-zamanda teorik olarak ulaşabileceği hızın üst sınırı olan bir doğa sabiti olacaktır. Dolayısıyla, uzay-zaman dalgalanmalarının (kütleçekim dalgaları ve gravitonlar) hızı olmaya devam edecek, ancak fotonların hızı olmayacaktır. ⓘ

Eğer bir foton sıfır olmayan bir kütleye sahip olsaydı, başka etkiler de olurdu. Coulomb yasası değişecek ve elektromanyetik alan ekstra bir fiziksel serbestlik derecesine sahip olacaktı. Bu etkiler, foton kütlesinin ışık hızının frekansa bağımlılığından daha hassas deneysel problar ortaya çıkarır. Eğer Coulomb yasası tam olarak geçerli değilse, o zaman harici bir elektrik alanına maruz kaldığında içi boş bir iletken içinde bir elektrik alanının varlığına izin verecektir. Bu, Coulomb yasasının çok yüksek hassasiyetli testleri için bir araç sağlar. Böyle bir deneyin boş sonucu m ≲ 'lik bir sınır belirlemiştir. ⓘ

Galaktik vektör potansiyelinin neden olduğu etkileri tespit etmek için tasarlanan deneylerde ışık kütlesi üzerinde daha keskin üst sınırlar elde edilmiştir. Galaktik manyetik alan çok büyük uzunluk ölçeklerinde var olduğu için galaktik vektör potansiyeli çok büyük olmasına rağmen, foton kütlesiz ise sadece manyetik alan gözlemlenebilir. Fotonun kütleli olması durumunda, kütle terimi m²A_μA^μ galaktik plazmayı etkileyecektir. Bu tür etkilerin görülmemesi, foton kütlesinin üst sınırının m < olduğu anlamına gelir. Galaktik vektör potansiyeli, mıknatıslanmış bir halka üzerine uygulanan tork ölçülerek de doğrudan araştırılabilir. Bu tür yöntemler, Parçacık Veri Grubu tarafından verilen daha keskin üst sınırı (eşdeğeri) elde etmek için kullanılmıştır. ⓘ

Galaktik vektör potansiyelinin neden olduğu etkilerin gözlemlenmemesinden kaynaklanan bu keskin sınırların modele bağlı olduğu gösterilmiştir. Foton kütlesi Higgs mekanizması yoluyla üretiliyorsa, Coulomb yasasının testinden elde edilen m ≲ üst sınırı geçerlidir. ⓘ

Tarihsel gelişim

Thomas Young'ın 1801'deki çift yarık deneyi, ışığın bir dalga olarak hareket edebileceğini göstererek, ışığın ilk parçacık teorilerinin geçersiz kılınmasına yardımcı olmuştur. ⓘ

On sekizinci yüzyıla kadar olan teorilerin çoğunda ışık parçacıklardan oluşuyormuş gibi resmediliyordu. Parçacık modelleri ışığın kırılmasını, kırınımını ve çift kırılmasını kolayca açıklayamadığından, ışığın dalga teorileri René Descartes (1637), Robert Hooke (1665) ve Christiaan Huygens (1678) tarafından önerildi; ancak parçacık modelleri, esas olarak Isaac Newton'un etkisi nedeniyle baskın kaldı. 19. yüzyılın başlarında Thomas Young ve August Fresnel ışığın girişimini ve kırınımını açıkça göstermiş ve 1850 yılına gelindiğinde dalga modelleri genel kabul görmüştür. James Clerk Maxwell'in 1865'te ışığın elektromanyetik bir dalga olduğuna dair öngörüsü -ki bu 1888'de Heinrich Hertz'in radyo dalgalarını tespit etmesiyle deneysel olarak doğrulanmıştır- ışığın parçacık modellerine indirilen son darbe gibi görünmektedir. ⓘ

1900 yılında, Maxwell'in salınan elektrik ve manyetik alanlar olarak ışığın teorik modeli tamamlanmış görünüyordu. Bununla birlikte, bazı gözlemler elektromanyetik radyasyonun herhangi bir dalga modeliyle açıklanamadı ve ışık enerjisinin

E = hν

ile tanımlanan kuantlar halinde paketlendiği fikrine yol açtı. Daha sonra yapılan deneyler, bu ışık kuantumlarının momentum da taşıdığını ve dolayısıyla parçacık olarak kabul edilebileceğini göstermiştir: Foton kavramı doğdu ve elektrik ve manyetik alanların kendilerinin daha iyi anlaşılmasına yol açtı. ⓘ

Ancak Maxwell dalga teorisi ışığın tüm özelliklerini açıklayamamaktadır. Maxwell teorisi, bir ışık dalgasının enerjisinin frekansına değil, yalnızca yoğunluğuna bağlı olduğunu öngörür; bununla birlikte, birçok bağımsız deney türü, ışığın atomlara verdiği enerjinin yoğunluğuna değil, yalnızca ışığın frekansına bağlı olduğunu göstermektedir. Örneğin, bazı kimyasal reaksiyonlar yalnızca belirli bir eşikten daha yüksek frekanslı ışıkla tetiklenir; eşikten daha düşük frekanslı ışık, ne kadar yoğun olursa olsun, reaksiyonu başlatmaz. Benzer şekilde, elektronlar metal bir levhanın üzerine yeterince yüksek frekansta ışık tutularak fırlatılabilir (fotoelektrik etki); fırlatılan elektronun enerjisi sadece ışığın frekansıyla ilişkilidir, yoğunluğuyla değil. ⓘ

Aynı zamanda, çeşitli araştırmacılar tarafından kırk yıl boyunca (1860-1900) yürütülen kara cisim radyasyonu araştırmaları, Max Planck'ın $ν$ frekanslı elektromanyetik radyasyonu emen veya yayan herhangi bir sistemin enerjisinin $E$ = $hν$ enerji kuantumunun tam sayı katı olduğu hipoteziyle sonuçlandı. Albert Einstein tarafından gösterildiği gibi, madde ve elektromanyetik radyasyon arasında gözlemlenen termal dengeyi açıklamak için bir çeşit enerji kuantizasyonu varsayılmalıdır; fotoelektrik etkinin bu açıklaması için Einstein 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü almıştır. ⓘ

Maxwell ışık teorisi elektromanyetik radyasyonun olası tüm enerjilerine izin verdiğinden, çoğu fizikçi başlangıçta enerji kuantizasyonunun radyasyonu emen veya yayan madde üzerindeki bilinmeyen bir kısıtlamadan kaynaklandığını varsaymıştır. 1905 yılında Einstein, enerji kuantizasyonunun elektromanyetik radyasyonun kendisinin bir özelliği olduğunu öne süren ilk kişi oldu. Maxwell'in teorisinin geçerliliğini kabul etmesine rağmen Einstein, Maxwellian bir ışık dalgasının enerjisinin, dalganın kendisi uzayda sürekli yayılsa bile, birbirinden bağımsız hareket eden nokta benzeri kuantlar halinde lokalize olması halinde birçok anormal deneyin açıklanabileceğine işaret etti. 1909 ve 1916'da Einstein, Planck'ın kara cisim ışımasına ilişkin yasası kabul edilirse, enerji kuantlarının aynı zamanda p = momentumunu da taşıması gerektiğini, bunun da onları tam teşekküllü parçacıklar haline getirdiğini gösterdi. Bu foton momentumu Arthur Compton tarafından deneysel olarak gözlemlendi ve 1927 yılında Nobel Ödülü aldı. O halde en önemli soru, Maxwell'in ışığın dalga teorisi ile deneysel olarak gözlemlenen parçacık doğasının nasıl birleştirileceğiydi? Bu sorunun cevabı Albert Einstein'ı hayatının geri kalanında meşgul etti ve kuantum elektrodinamiği ve onun halefi olan Standart Model'de çözüldü. (Bkz. ve , aşağıda). ⓘ

1923'e kadar çoğu fizikçi ışığın kendisinin kuantize olduğunu kabul etmekte isteksizdi. Bunun yerine, hidrojen atomunun Bohr modelinde (burada gösterilmektedir) olduğu gibi, foton davranışını yalnızca maddeyi kuantize ederek açıklamaya çalıştılar. Bu yarı klasik modeller yalnızca bir ilk yaklaşım olsa da, basit sistemler için doğruydu ve kuantum mekaniğine yol açtılar. ⓘ

Einstein'ın 1905 tahminleri, Robert Millikan'ın Nobel konferansında anlatıldığı gibi, 20. yüzyılın ilk yirmi yılında çeşitli şekillerde deneysel olarak doğrulandı. Bununla birlikte, Compton'un deneyinin fotonların dalga sayılarıyla orantılı momentum taşıdığını göstermesinden önce (1922), çoğu fizikçi elektromanyetik radyasyonun kendisinin parçacıklı olabileceğine inanmakta isteksizdi. (Örneğin Wien, Planck ve Millikan'ın Nobel konferanslarına bakınız.) Bunun yerine, enerji kuantizasyonunun radyasyonu emen veya yayan madde üzerindeki bilinmeyen bir kısıtlamadan kaynaklandığına dair yaygın bir inanç vardı. Tutumlar zaman içinde değişti. Bu değişim kısmen, Compton saçılmasını ortaya çıkaran deneyler gibi, gözlemlenen sonuçları açıklamak için ışığın kendisine kuantizasyon atfetmemenin çok daha zor olduğu deneylerle izlenebilir. ⓘ

Compton deneyinden sonra bile Niels Bohr, Hendrik Kramers ve John Slater, ışığın Maxwellian sürekli elektromanyetik alan modelini korumak için BKS teorisi olarak adlandırılan son bir girişimde bulundular. BKS teorisinin önemli bir özelliği, enerjinin korunumu ve momentumun korunumu konularını ele alış biçimidir. BKS teorisinde enerji ve momentum, madde ve radyasyon arasındaki birçok etkileşimde sadece ortalama olarak korunur. Ancak, rafine edilmiş Compton deneyleri, korunum yasalarının bireysel etkileşimler için geçerli olduğunu göstermiştir. Buna göre Bohr ve çalışma arkadaşları modellerine "olabildiğince onurlu bir cenaze töreni" düzenlediler. Bununla birlikte, BKS modelinin başarısızlıkları Werner Heisenberg'e matris mekaniğini geliştirmesinde ilham verdi. ⓘ

Birkaç fizikçi elektromanyetik radyasyonun kuantize edilmediği, ancak maddenin kuantum mekaniği yasalarına uyuyor gibi göründüğü yarı klasik modeller geliştirmeye devam etti. 1970'lerde fotonların varlığına dair kimyasal ve fiziksel deneylerden elde edilen kanıtlar çok büyük olmasına rağmen, bu kanıtlar kesinlikle kesin olarak kabul edilemezdi; çünkü ışığın madde ile etkileşimine dayanıyordu ve yeterince eksiksiz bir madde teorisi prensipte kanıtları açıklayabilirdi. Bununla birlikte, tüm yarı klasik teoriler 1970'lerde ve 1980'lerde foton-korelasyon deneyleri ile kesin olarak çürütülmüştür. Dolayısıyla, Einstein'ın kuantizasyonun ışığın kendisinin bir özelliği olduğu hipotezinin kanıtlandığı düşünülmektedir. ⓘ

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). ⓘ

Dalga-parçacık ikiliği ve belirsizlik ilkeleri

Mach-Zehnder interferometresindeki fotonlar, tek foton dedektörlerinde dalga benzeri girişim ve parçacık benzeri algılama sergiler. ⓘ

Fotonlar kuantum mekaniği yasalarına uyarlar ve bu nedenle davranışlarının hem dalga benzeri hem de parçacık benzeri yönleri vardır. Bir foton bir ölçüm cihazı tarafından algılandığında, tek ve parçacıklı bir birim olarak kaydedilir. Bununla birlikte, bir fotonun tespit edilme olasılığı dalgaları tanımlayan denklemlerle hesaplanır. Bu özelliklerin birleşimi dalga-parçacık ikiliği olarak bilinir. Örneğin, bir fotonun tespit edilebileceği konum için olasılık dağılımı, kırınım ve girişim gibi açıkça dalga benzeri fenomenler gösterir. Çift yarıklı bir deneyden geçen tek bir fotonun enerjisi, Maxwell'in dalga denklemleri tarafından belirlenen girişim deseni tarafından verilen bir olasılık dağılımı ile ekrandaki bir noktada alınır. Bununla birlikte, deneyler fotonun kısa bir elektromanyetik radyasyon darbesi olmadığını doğrulamaktadır; bir fotonun Maxwell dalgaları kırılacaktır, ancak foton enerjisi yayılırken yayılmaz veya bu enerji bir ışın ayırıcıyla karşılaştığında bölünmez. Aksine, alınan foton, atom çekirdeği (≈10-15 m çapında) ve hatta nokta benzeri elektron gibi dalga boyundan çok daha küçük sistemler de dahil olmak üzere keyfi olarak küçük sistemler tarafından bir bütün olarak emildiği veya yayıldığı için nokta benzeri bir parçacık gibi davranır. ⓘ

Birçok giriş metni fotonları göreli olmayan kuantum mekaniğinin matematiksel tekniklerini kullanarak ele alırken, fotonlar doğaları gereği göreli olduklarından bu bazı açılardan garip bir aşırı basitleştirmedir. Fotonların durgun kütlesi sıfır olduğundan, bir foton için tanımlanan hiçbir dalga fonksiyonu göreli olmayan kuantum mekaniğindeki dalga fonksiyonlarından aşina olunan tüm özelliklere sahip olamaz. Bu zorluklardan kaçınmak için fizikçiler aşağıda açıklanan ikinci kuantize foton teorisini, fotonların elektromanyetik modların kuantize uyarımları olduğu kuantum elektrodinamiğini kullanırlar. ⓘ

Bir başka zorluk da, belirsizlik ilkesi için uygun bir analog bulmaktır; bu fikir sıklıkla, bir elektron ve yüksek enerjili bir foton içeren bir düşünce deneyini analiz ederken bu kavramı ortaya atan Heisenberg'e atfedilir. Ancak Heisenberg, bu ölçümlerdeki "belirsizliğin" ne anlama geldiğine dair kesin matematiksel tanımlar vermemiştir. Konum-momentum belirsizliği ilkesinin kesin matematiksel ifadesi Kennard, Pauli ve Weyl'e aittir. Belirsizlik ilkesi, bir deneycinin bir parçacığın konumu ve momentumu gibi iki "kanonik olarak eşlenik" nicelikten birini ölçme seçeneğine sahip olduğu durumlar için geçerlidir. Belirsizlik ilkesine göre, parçacık nasıl hazırlanmış olursa olsun, iki alternatif ölçümün her ikisi için de kesin bir tahminde bulunmak mümkün değildir: konum ölçümünün sonucu daha kesin hale getirilirse, momentum ölçümünün sonucu daha az kesin hale gelir ve bunun tersi de geçerlidir. Tutarlı bir durum, kuantum mekaniğinin izin verdiği ölçüde genel belirsizliği en aza indirir. Kuantum optiği, elektromanyetik alanın modları için tutarlı durumları kullanır. Bir elektromanyetik dalganın genliği ile fazının ölçümleri arasında, konum-momentum belirsizlik ilişkisini anımsatan bir değiş tokuş vardır. Bu bazen gayri resmi olarak elektromanyetik dalgada bulunan foton sayısındaki belirsizlik olarak ifade edilir, $\Delta N$ ve dalganın fazındaki belirsizlik, $\Delta \phi$ . Ancak, bu Kennard-Pauli-Weyl tipi bir belirsizlik ilişkisi olamaz, çünkü konum ve momentumun aksine, faz $\phi$ Hermitian bir operatör tarafından temsil edilemez. ⓘ

Bir foton gazının Bose-Einstein modeli

1924 yılında Satyendra Nath Bose, Planck'ın kara cisim radyasyonu yasasını herhangi bir elektromanyetizma kullanmadan, bunun yerine faz uzayının kaba taneli sayımının bir modifikasyonunu kullanarak türetmiştir. Einstein, bu modifikasyonun fotonların kesin olarak özdeş olduğunu varsaymaya eşdeğer olduğunu ve şimdi simetrik bir kuantum mekaniksel durum gereksinimi olarak anlaşılan "gizemli bir yerel olmayan etkileşimi" ima ettiğini gösterdi. Bu çalışma tutarlı durumlar kavramına ve lazerin geliştirilmesine yol açtı. Aynı makalelerde Einstein, Bose'un formalizmini maddi parçacıklara (bozonlara) genişletti ve yeterince düşük sıcaklıklarda en düşük kuantum durumlarına yoğunlaşacaklarını öngördü; bu Bose-Einstein yoğunlaşması 1995 yılında deneysel olarak gözlemlendi. Daha sonra Lene Hau tarafından 1999 ve 2001 yıllarında ışığı yavaşlatmak ve ardından tamamen durdurmak için kullanıldı. ⓘ

Bu konudaki modern görüş, fotonların tam sayı spinleri nedeniyle bozon olduklarıdır (yarım tam sayı spinli fermiyonların aksine). Spin-istatistik teoremine göre, tüm bozonlar Bose-Einstein istatistiklerine uyarlar (tüm fermiyonlar ise Fermi-Dirac istatistiklerine uyarlar). ⓘ

Uyarılmış ve kendiliğinden emisyon

Uyarılmış emisyon (fotonların kendilerini "klonlaması") Einstein tarafından kinetik analizinde öngörülmüş ve lazerin geliştirilmesine yol açmıştır. Einstein'ın türetmesi, ışığın kuantum tedavisinde daha ileri gelişmelere ilham verdi ve bu da kuantum mekaniğinin istatistiksel yorumuna yol açtı. ⓘ

1916'da Albert Einstein, Planck'ın radyasyon yasasının fotonların ve atomların yarı-klasik, istatistiksel bir muamelesinden türetilebileceğini gösterdi; bu da atomların foton yayma ve emme hızları arasında bir bağlantı olduğunu ima ediyordu. Bu koşul, radyasyonun atomlar tarafından yayılması ve soğurulması işlevlerinin birbirinden bağımsız olduğu ve termal dengenin radyasyonun atomlarla etkileşimi yoluyla sağlandığı varsayımından kaynaklanmaktadır. Tüm parçalarıyla termal dengede olan ve elektromanyetik radyasyonla dolu ve atomların bu radyasyonu yayabildiği ve emebildiği bir boşluk düşünün. Termal denge, enerji yoğunluğunun $\rho (\nu )$ frekanslı fotonların $\nu$ (sayı yoğunluklarıyla orantılıdır) ortalama olarak zaman içinde sabittir; dolayısıyla, herhangi bir frekanstaki fotonların yayılma hızı, soğurulma hızına eşit olmalıdır. ⓘ

Einstein, ilgili farklı reaksiyon hızları için basit orantılılık ilişkileri varsayarak işe başladı. Onun modelinde, hız $R_{ji}$ bir sistemin frekanslı bir fotonu soğurması için $\nu$ ve daha düşük bir enerjiden geçiş $E_{j}$ daha yüksek bir enerjiye $E_{i}$ sayı ile orantılıdır $N_{j}$ enerjiye sahip atomların $E_{j}$ ve enerji yoğunluğuna $\rho (\nu )$ o frekanstaki ortam fotonlarının, ⓘ

R_{ji}=N_{j}B_{ji}\rho (\nu )\!

ⓘ

nerede $B_{ji}$ soğurma için hız sabitidir. Ters işlem için iki olasılık vardır: bir fotonun kendiliğinden emisyonu veya atomun geçen bir fotonla etkileşimi ve atomun düşük enerjili duruma geri dönmesiyle başlatılan bir fotonun emisyonu. Einstein'ın yaklaşımını takiben, karşılık gelen oran $R_{ij}$ frekanslı fotonların emisyonu için $\nu$ ve daha yüksek bir enerjiden geçiş $E_{i}$ daha düşük bir enerjiye $E_{j}$ o ⓘ

R_{ij}=N_{i}A_{ij}+N_{i}B_{ij}\rho (\nu )\!

ⓘ

nerede $A_{ij}$ bir fotonun kendiliğinden yayılması için hız sabitidir ve $B_{ij}$ ortamdaki fotonlara yanıt olarak emisyonlar için hız sabitidir (indüklenmiş veya uyarılmış emisyon). Termodinamik dengede, durumdaki atom sayısı $i$ ve eyalettekiler $j$ ortalama olarak sabit olmalıdır; dolayısıyla, oranlar $R_{ji}$ ve $R_{ij}$ eşit olmalıdır. Ayrıca, Boltzmann istatistiklerinin türetilmesine benzer argümanlarla $N_{i}$ ve $N_{j}$ o $g_{i}/g_{j}\exp {(E_{j}-E_{i})/(kT)},$ nerede $g_{i}$ ve $g_{j}$ durumun dejenerasyonudur $i$ ve bu $j$ sırasıyla, $E_{i}$ ve $E_{j}$ enerjilerini, $k$ Boltzmann sabiti ve $T$ sistemin sıcaklığıdır. Buradan kolayca şu sonuç çıkarılabilir $g_{i}B_{ij}=g_{j}B_{ji}$ ve

A_{ij}={\frac {8\pi h\nu ^{3}}{c^{3}}}B_{ij}.

Bu $A_{ij}$ ve $B_{ij}$ toplu olarak Einstein katsayıları olarak bilinir. ⓘ

Einstein hız denklemlerini tam olarak gerekçelendirememiş, ancak katsayıların hesaplanmasının mümkün olması gerektiğini iddia etmiştir $A_{ij}$ , $B_{ji}$ ve $B_{ij}$ Fizikçiler "kuantum hipotezine uyum sağlayacak şekilde değiştirilmiş mekanik ve elektrodinamiği" elde ettiklerinde. Bundan kısa bir süre sonra, 1926'da Paul Dirac $B_{ij}$ yarı klasik bir yaklaşım kullanarak hız sabitlerini hesaplamış ve 1927'de kuantum teorisi çerçevesinde tüm hız sabitlerini ilk prensiplerden türetmeyi başarmıştır. Dirac'ın çalışması kuantum elektrodinamiğinin, yani elektromanyetik alanın kendisinin kuantizasyonunun temelini oluşturmuştur. Dirac'ın yaklaşımı ikinci kuantizasyon ya da kuantum alan teorisi olarak da adlandırılır; daha önceki kuantum mekaniksel yaklaşımlar sadece maddi parçacıkları kuantum mekaniksel olarak ele alır, elektromanyetik alanı değil. ⓘ

Einstein, kendiliğinden yayılan bir fotonun yönünü belirlemediği için teorisinin eksik görünmesinden rahatsız olmuştur. Işık-parçacık hareketinin olasılıksal doğası ilk olarak Newton tarafından çift kırılma ve daha genel olarak ışık ışınlarının ara yüzeylerde iletilen ışın ve yansıyan ışın olarak ikiye ayrılmasını ele alırken düşünülmüştür. Newton, ışık parçacığındaki gizli değişkenlerin tek bir fotonun iki yoldan hangisini izleyeceğini belirlediğini varsaymıştır. Benzer şekilde Einstein da hiçbir şeyi şansa bırakmayacak daha eksiksiz bir teori umarak kuantum mekaniğinden ayrılmaya başladı. İronik bir şekilde, Max Born'un dalga fonksiyonunun olasılıksal yorumu, Einstein'ın daha sonra daha eksiksiz bir teori arayışında yaptığı çalışmalardan esinlenmiştir. ⓘ

Kuantum alan teorisi

Elektromanyetik alanın kuantizasyonu

Farklı elektromanyetik modlar (burada tasvir edilenler gibi) bağımsız basit harmonik osilatörler olarak ele alınabilir. Bir foton, kendi elektromanyetik modunda E = hν enerji birimine karşılık gelir. ⓘ

1910 yılında Peter Debye, Planck'ın kara cisim radyasyonu yasasını nispeten basit bir varsayımdan türetmiştir. Bir boşluktaki elektromanyetik alanı Fourier modlarına ayırdı ve herhangi bir moddaki enerjinin $h\nu$ , nerede $\nu$ elektromanyetik modun frekansıdır. Planck'ın kara cisim radyasyonu yasası geometrik bir toplam olarak hemen ardından gelir. Ancak Debye'nin yaklaşımı, 1909'da Einstein tarafından türetilen siyah cisim radyasyonunun enerji dalgalanmaları için doğru formülü verememiştir. ⓘ

1925 yılında Born, Heisenberg ve Jordan Debye'nin kavramını önemli bir şekilde yeniden yorumladılar. Klasik olarak gösterilebileceği gibi, elektromanyetik alanın Fourier modları - dalga vektörleri k ve polarizasyon durumları ile indekslenen elektromanyetik düzlem dalgalarının tam bir kümesi - bir dizi çiftlenmemiş basit harmonik osilatöre eşdeğerdir. Kuantum mekaniksel olarak ele alındığında, bu tür osilatörlerin enerji seviyelerinin şu şekilde olduğu bilinmektedir $E=nh\nu$ , nerede $\nu$ osilatör frekansıdır. Kilit yeni adım, enerji ile bir elektromanyetik mod tanımlamaktı $E=nh\nu$ ile bir devlet olarak $n$ fotonlar, her biri enerji $h\nu$ . Bu yaklaşım doğru enerji dalgalanma formülünü verir. ⓘ

Sanal bir foton değişimi ile etkileşen iki elektronun Feynman diyagramı. ⓘ

Dirac bunu bir adım daha ileri götürdü. Bir yük ile elektromanyetik alan arasındaki etkileşimi, foton durumlarında geçişlere neden olan, modlardaki foton sayılarını değiştiren, ancak genel olarak enerji ve momentumu koruyan küçük bir pertürbasyon olarak ele aldı. Dirac, Einstein'ın $A_{ij}$ ve $B_{ij}$ katsayılarını ilk prensiplerden çıkardı ve fotonların Bose-Einstein istatistiğinin elektromanyetik alanı doğru bir şekilde kuantize etmenin doğal bir sonucu olduğunu gösterdi (Bose'un mantığı ters yöndeydi; Planck'ın kara cisim radyasyonu yasasını B-E istatistiğini varsayarak türetmişti). Dirac'ın zamanında, fotonlar da dahil olmak üzere tüm bozonların Bose-Einstein istatistiklerine uyması gerektiği henüz bilinmiyordu. ⓘ

Dirac'ın ikinci dereceden pertürbasyon teorisi, elektromanyetik alanın geçici ara durumları olan sanal fotonları içerebilir; statik elektrik ve manyetik etkileşimlere bu tür sanal fotonlar aracılık eder. Bu tür kuantum alan teorilerinde, gözlemlenebilir olayların olasılık genliği, fiziksel olmayanlar da dahil olmak üzere tüm olası ara adımlar üzerinden toplanarak hesaplanır; dolayısıyla, sanal fotonlar aşağıdakileri sağlamakla kısıtlı değildir $E=pc$ ve fazladan kutuplaşma durumlarına sahip olabilirler; kullanılan göstergeye bağlı olarak, sanal fotonlar gerçek fotonların iki durumu yerine üç veya dört kutuplaşma durumuna sahip olabilirler. Bu geçici sanal fotonlar asla gözlemlenemese de, gözlemlenebilir olayların olasılıklarına ölçülebilir katkıda bulunurlar. Aslında, bu tür ikinci dereceden ve daha yüksek dereceden pertürbasyon hesaplamaları toplamda görünüşte sonsuz katkılar sağlayabilir. Bu tür fiziksel olmayan sonuçlar, yeniden normalleştirme tekniği kullanılarak düzeltilir. ⓘ

Diğer sanal parçacıklar da toplama katkıda bulunabilir; örneğin, iki foton sanal elektron-pozitron çiftleri aracılığıyla dolaylı olarak etkileşebilir. Bu tür foton-foton saçılması (bkz. iki foton fiziği) ve elektron-foton saçılması, planlanan parçacık hızlandırıcısı Uluslararası Doğrusal Çarpıştırıcı'nın çalışma modlarından biri olacaktır. ⓘ

Modern fizik gösteriminde, elektromanyetik alanın kuantum durumu, her bir elektromanyetik mod için durumların tensör çarpımı olan bir Fock durumu olarak yazılır ⓘ

|n_{k_{0}}\rangle \otimes |n_{k_{1}}\rangle \otimes \dots \otimes |n_{k_{n}}\rangle \dots

ⓘ

nerede $|n_{k_{i}}\rangle$ içinde bulunduğu durumu temsil eder. $\,n_{k_{i}}$ fotonlar moddadır $k_{i}$ . Bu gösterimde, modda yeni bir fotonun yaratılması $k_{i}$ (örneğin, bir atomik geçişten yayılan) şu şekilde yazılır $|n_{k_{i}}\rangle \rightarrow |n_{k_{i}}+1\rangle$ . Bu gösterim sadece yukarıda açıklanan Born, Heisenberg ve Jordan kavramını ifade eder ve herhangi bir fizik eklemez. ⓘ

Bir gösterge bozonu olarak

Elektromanyetik alan bir gösterge alanı olarak, yani bir gösterge simetrisinin uzayzamanın her konumunda bağımsız olarak geçerli olmasını gerektirmesinden kaynaklanan bir alan olarak anlaşılabilir. Elektromanyetik alan için bu gösterge simetrisi, mutlak değeri 1 olan karmaşık sayıların Abelian U(1) simetrisidir; bu da karmaşık bir alanın fazını, enerji veya Lagrangian gibi ondan yapılan gözlemlenebilirleri veya gerçek değerli fonksiyonları etkilemeden değiştirme yeteneğini yansıtır. ⓘ

Simetri bozulmadığı sürece bir Abelian gösterge alanının kuantumları kütlesiz, yüksüz bozonlar olmalıdır; dolayısıyla fotonun kütlesiz olduğu, sıfır elektrik yüküne ve tam sayı spine sahip olduğu tahmin edilmektedir. Elektromanyetik etkileşimin özel biçimi, fotonun ±1 spine sahip olması gerektiğini belirtir; dolayısıyla, sarmallığı $\pm \hbar$ . Bu iki spin bileşeni klasik sağ elli ve sol elli dairesel polarize ışık kavramlarına karşılık gelir. Bununla birlikte, kuantum elektrodinamiğinin geçici sanal fotonları da fiziksel olmayan kutuplaşma durumlarını benimseyebilir. ⓘ

Fiziğin geçerli Standart Modelinde foton, elektrozayıf etkileşimdeki dört ayar bozonundan biridir; diğer üçü W⁺, W- ve Z⁰ olarak adlandırılır ve zayıf etkileşimden sorumludur. Fotonun aksine, bu ayar bozonları SU(2) ayar simetrisini kıran bir mekanizma sayesinde kütleye sahiptir. Elektrozayıf etkileşimde fotonun W ve Z ayar bozonları ile birleştirilmesi Sheldon Glashow, Abdus Salam ve Steven Weinberg tarafından gerçekleştirilmiş ve 1979 Nobel Fizik Ödülü'ne layık görülmüşlerdir. Fizikçiler bu dört ayar bozonunu kuantum kromodinamiğinin sekiz gluon ayar bozonuna bağlayan büyük birleşik teorileri varsaymaya devam etmektedir; ancak bu teorilerin proton bozunması gibi temel öngörüleri deneysel olarak gözlemlenmemiştir. ⓘ

Hadronik özellikler

Enerjik fotonlar ve hadronlar arasındaki etkileşimin ölçümleri, etkileşimin sadece fotonların hadronun elektrik yükü ile etkileşiminden beklenenden çok daha yoğun olduğunu göstermektedir. Ayrıca, enerjik fotonların protonlarla etkileşimi, protonların ve nötronların elektrik yük yapılarının büyük ölçüde farklı olmasına rağmen, fotonların nötronlarla etkileşimine benzerdir. Bu etkiyi açıklamak için Vektör Mezon Baskınlığı (VMD) adı verilen bir teori geliştirilmiştir. VMD'ye göre foton, sadece elektrik yükleri ve vektör mezonlarla etkileşen saf elektromanyetik fotonun bir süperpozisyonudur. Bununla birlikte, çok kısa mesafelerde deneysel olarak incelenirse, fotonun içsel yapısı, QCD'deki asimptotik serbestliğe göre yarı serbest olan ve foton yapı fonksiyonu tarafından tanımlanan kuark ve gluon bileşenlerinin bir akısı olarak kabul edilir. Verilerin teorik tahminlerle kapsamlı bir karşılaştırması 2000 yılında bir derlemede sunulmuştur. ⓘ

Bir sistemin kütlesine katkılar

Foton yayan bir sistemin enerjisi, fotonun enerjisi kadar azalır. $E$ yayıcı sistemin durağan çerçevesinde ölçülen fotonun kütlesinde bir azalmaya neden olabilir. ${E}/{c^{2}}$ . Benzer şekilde, bir fotonu soğuran bir sistemin kütlesi de buna karşılık gelen miktarda artar. Bir uygulama olarak, foton içeren nükleer reaksiyonların enerji dengesi genellikle ilgili çekirdeklerin kütleleri ve aşağıdaki formdaki terimler cinsinden yazılır ${E}/{c^{2}}$ gama fotonları için (ve çekirdeklerin geri tepme enerjisi gibi diğer ilgili enerjiler için). ⓘ

Bu kavram kuantum elektrodinamiğinin (QED, yukarıya bakınız) temel öngörülerinde uygulanmaktadır. Bu teoride elektronların (ya da daha genel olarak leptonların) kütlesi, renormalizasyon olarak bilinen bir teknikle sanal fotonların kütle katkıları dahil edilerek değiştirilir. Bu tür "ışınımsal düzeltmeler", leptonların manyetik dipol momenti, Lamb kayması ve müonyum ve pozitronyum gibi bağlı lepton çiftlerinin hiper ince yapısı gibi QED'nin bir dizi öngörüsüne katkıda bulunur. ⓘ

Fotonlar stres-enerji tensörüne katkıda bulunduklarından, genel görelilik teorisine göre diğer nesneler üzerinde yerçekimsel bir çekim uygularlar. Tersine, fotonların kendileri de kütleçekiminden etkilenir; normalde düz olan yörüngeleri, kütleçekimsel merceklenmede olduğu gibi uzayzamanın bükülmesiyle bükülebilir ve Pound-Rebka deneyinde olduğu gibi daha yüksek bir kütleçekim potansiyeline geçerek frekansları düşebilir. Ancak bu etkiler fotonlara özgü değildir; tam olarak aynı etkiler klasik elektromanyetik dalgalar için de öngörülebilir. ⓘ

Madde içinde

Saydam maddeden geçen ışık, bunu boşluktaki ışık hızı olan c'den daha düşük bir hızda yapar. Hızın azaldığı faktör malzemenin kırılma indisi olarak adlandırılır. Klasik dalga resminde, yavaşlama ışığın maddede elektrik kutuplaşmasına neden olması, kutuplaşmış maddenin yeni ışık yayması ve bu yeni ışığın gecikmiş bir dalga oluşturmak üzere orijinal ışık dalgasıyla etkileşime girmesiyle açıklanabilir. Parçacık resminde, yavaşlama bunun yerine fotonun maddenin kuantum uyarımları ile karışarak polariton olarak bilinen yarı parçacıklar üretmesi olarak tanımlanabilir (diğer bazı yarı parçacıklar için bu listeye bakınız); bu polariton sıfır olmayan bir etkin kütleye sahiptir, yani c hızında hareket edemez. Farklı frekanslardaki ışık madde içinde farklı hızlarda hareket edebilir; buna dağılma denir (saçılma ile karıştırılmamalıdır). Bazı durumlarda, ışığın madde içindeki hızı son derece yavaş olabilir. Fotonların diğer yarı parçacıklarla etkileşimlerinin etkileri Raman saçılması ve Brillouin saçılmasında doğrudan gözlemlenebilir. ⓘ

Fotonlar madde tarafından saçılabilir. Örneğin, fotonlar Güneş'in çekirdeğinden yola çıkarken o kadar çok çarpışmaya girerler ki, ışıyan enerjinin yüzeye ulaşması yaklaşık bir milyon yıl sürebilir; ancak açık uzayda bir fotonun Dünya'ya ulaşması yalnızca 8,3 dakika sürer. ⓘ

Fotonlar ayrıca çekirdekler, atomlar veya moleküller tarafından emilerek enerji seviyeleri arasında geçişlere neden olabilir. Klasik bir örnek, 1958 yılında Nobel ödüllü biyokimyacı George Wald ve çalışma arkadaşları tarafından keşfedilen ve görmeden sorumlu olan retinalin (C₂₀H₂₈O) moleküler geçişidir. Emilim, bu tür diğer geçişlerle birlikte sinir impulslarına dönüştürülen bir cis-trans izomerizasyonunu tetikler. Fotonların emilimi, klorun fotodisosiyasyonunda olduğu gibi kimyasal bağları bile kırabilir; bu fotokimyanın konusudur. ⓘ

Teknolojik uygulamalar

Fotonların teknolojide birçok uygulaması vardır. Bu örnekler, klasik bir ışık teorisi altında çalışabilecek mercekler vb. gibi genel optik cihazlardan ziyade, fotonların kendi başlarına uygulamalarını göstermek için seçilmiştir. Lazer son derece önemli bir uygulamadır ve yukarıda uyarılmış emisyon altında tartışılmıştır. ⓘ

Bireysel fotonlar çeşitli yöntemlerle tespit edilebilir. Klasik fotoçoğaltıcı tüp fotoelektrik etkiden faydalanır: yeterli enerjiye sahip bir foton metal bir plakaya çarpar ve bir elektronu serbest bırakarak sürekli güçlenen bir elektron çığı başlatır. Yarı iletken yük bağlantılı cihaz çipleri de benzer bir etki kullanır: Gelen bir foton mikroskobik bir kapasitör üzerinde algılanabilen bir yük oluşturur. Geiger sayaçları gibi diğer dedektörler, fotonların cihazda bulunan gaz moleküllerini iyonize etme yeteneğini kullanarak gazın iletkenliğinde tespit edilebilir bir değişikliğe neden olur. ⓘ

Planck'ın enerji formülü $E=h\nu$ mühendisler ve kimyagerler tarafından hem bir foton emiliminden kaynaklanan enerji değişimini hesaplamak hem de belirli bir foton emisyonundan yayılan ışığın frekansını belirlemek için tasarımda sıklıkla kullanılır. Örneğin, bir gaz deşarj lambasının emisyon spektrumu, farklı elektronik enerji seviyesi konfigürasyonlarına sahip gazlarla (karışımlarıyla) doldurularak değiştirilebilir. ⓘ

Bazı koşullar altında, bir enerji geçişi, tek başına yetersiz kalacak "iki" foton tarafından uyarılabilir. Bu, daha yüksek çözünürlüklü mikroskopiye olanak sağlar, çünkü numune enerjiyi yalnızca farklı renklerdeki iki ışının önemli ölçüde örtüştüğü spektrumda emer, bu da tek bir ışının uyarma hacminden çok daha küçük hale getirilebilir (bkz. iki fotonlu uyarma mikroskopisi). Dahası, bu fotonlar daha düşük enerjili oldukları için numuneye daha az zarar verirler. ⓘ

Bazı durumlarda, iki enerji geçişi birleştirilebilir, böylece bir sistem bir fotonu emerken, yakındaki başka bir sistem enerjisini "çalar" ve farklı frekansta bir fotonu yeniden yayar. Bu, moleküler biyolojide uygun proteinlerin etkileşimini incelemek için kullanılan bir teknik olan floresan rezonans enerji transferinin temelidir. ⓘ

Birkaç farklı türde donanımsal rastgele sayı üreteci tek fotonların algılanmasını içerir. Bir örnekte, üretilecek rastgele dizideki her bit için bir ışın ayırıcıya bir foton gönderilir. Böyle bir durumda, eşit olasılıklı iki olası sonuç vardır. Gerçek sonuç, dizideki bir sonraki bitin "0" mı yoksa "1" mi olduğunu belirlemek için kullanılır. ⓘ

Kuantum optiği ve hesaplama

Kuantum optiği alanında fotonların uygulamalarına yönelik çok sayıda araştırma yapılmıştır. Fotonlar son derece hızlı bir kuantum bilgisayarın unsurları olmaya çok uygun görünmektedir ve fotonların kuantum dolaşıklığı araştırmaların odak noktasıdır. Doğrusal olmayan optik süreçler, iki foton emilimi, öz faz modülasyonu, modülasyonel kararsızlık ve optik parametrik osilatörler gibi konularla bir başka aktif araştırma alanıdır. Bununla birlikte, bu tür süreçler genellikle fotonların varsayımını gerektirmez; genellikle atomları doğrusal olmayan osilatörler olarak ele alarak modellenebilirler. Spontane parametrik aşağı dönüşümün doğrusal olmayan süreci genellikle tek foton durumları üretmek için kullanılır. Son olarak, fotonlar optik iletişimin bazı yönlerinde, özellikle de kuantum kriptografi için gereklidir. ⓘ

İki foton fiziği, nadir bulunan fotonlar arasındaki etkileşimleri inceler. 2018'de MIT araştırmacıları, polaritonları içerebilecek bağlı foton üçlülerinin keşfini duyurdu. ⓘ

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. ⓘ

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