Vad det är
En foton är ett kvantum av elektromagnetisk strålning: den minsta mängd ljus (eller radiovågor, röntgenstrålning och så vidare) som kan sändas ut eller tas emot av materia. En foton har energin E = hf, där f är strålningens frekvens och h är Plancks konstant, 6,62607015 · 10⁻³⁴ J·s. Med f = c/λ blir det E = hc/λ, se fotonenergi och fotonenergi ur våglängd.
Exempel med h = 6,62607015 · 10⁻³⁴ J·s och c = 299 792 458 m/s, värdena i tabellen över fysikaliska konstanter:
- Grönt ljus, 500 nm. E = hc/λ ≈ 3,97 · 10⁻¹⁹ J ≈ 2,48 eV. En laser på 1 W som sänder ut detta ljus skickar ungefär 1/(3,97 · 10⁻¹⁹) ≈ 2,5 · 10¹⁸ fotoner varje sekund.
- Rött ljus, 700 nm. E ≈ 2,84 · 10⁻¹⁹ J ≈ 1,77 eV.
- Violett ljus, 400 nm. E ≈ 4,97 · 10⁻¹⁹ J ≈ 3,10 eV, ungefär 1,75 gånger röda fotonens energi, eftersom 700/400 = 1,75.
- Radiovåg, 100 MHz. E = hf ≈ 6,63 · 10⁻²⁶ J. Också radiovågor består av fotoner, men varje foton är mycket liten.
Fotonen har ingen massa men en rörelsemängd p = h/λ. Vid 500 nm är den ungefär 1,33 · 10⁻²⁷ kg·m/s, se fotonens rörelsemängd.
Det som inte är en foton:
- Ljusstrålen. Den består av ett mycket stort antal fotoner.
- Ljudet. Ljud är en mekanisk våg i materia; det finns ingen foton av ljud.
- En elektron. Elektronen har massa och laddning; fotonen har ingen av dem.
Varför det spelar roll
Fotonbegreppet förklarar sådant som vågmodellen inte klarar. I den fotoelektriska effekten lossnar elektroner ur en metall bara om varje foton har tillräckligt med energi, hur ljus strålen än är. Vid Comptonspridning beter sig fotonen som en partikel som kolliderar med en elektron. Och spektrum från atomer visas som linjer eftersom en atom sänder ut en foton med bestämd energi när den byter nivå, se Bohrs atommodell.
Fotonen är också det enklaste exemplet på våg–partikeldualism: ljus ger interferens som en våg och absorberas i hela paket som en partikel. Strålningens farlighet hänger ihop med fotonenergin, se det elektromagnetiska spektrumet.
Vanliga missuppfattningar
- “En foton är en liten kula.” Modellen är en kvantiserad energi i ett fält, inte en liten kula som flyger på en bana. Den kan inte följas som en kula.
- “Starkare ljus ger energirikare fotoner.” Starkare ljus av samma färg ger fler fotoner, inte fler joule per foton. Energin per foton bestäms av frekvensen.
- “Fotoner har ingen rörelsemängd eftersom de saknar massa.” De har p = h/λ, och därför kan ljus trycka på en yta.
- “Tillräckligt starkt rött ljus lossar elektroner ur vilken metall som helst.” Om fotonenergin är mindre än metallens utträdesarbete lossnar inga elektroner i vanligt ljus, hur många fotoner det än är, se utträdesarbeten.
Vanliga frågor
Hur räknar man ut energin hos en foton?
Med E = hf om man känner frekvensen, eller E = hc/λ om man känner våglängden. För 500 nm blir det ungefär 3,97 · 10⁻¹⁹ J, eller 2,48 eV.
Har en foton massa?
Nej, vilomassan är noll. Den har ändå energi och rörelsemängd.
Är ljus en våg eller en partikel?
Ljus visar vågegenskaper i vissa försök och partikelegenskaper i andra. Se våg–partikeldualism.