Footon

Footon on elektromagnetkiirguse väikseim osake ehk kvant (valguskvant). Footon on vaheosake (boson spinniga 1), mis vahendab elektromagnetilist vastastikmõju. Footon (erinevalt näiteks gluuonist) ise oma vahendatava vastastikmõju laengut ei kanna ja on elektriliselt neutraalne. Tema seisumass on 0 ning seetõttu liigub ta vaakumis alati valguse kiirusega $c\!$. Valguse kiirus kui universaalne füüsikaline konstant ongi defineeritud footoni liikumise kiiruse kaudu vaakumis.

Üldine kirjeldus

Footon on elementaarosake, mis vahendab elektromagnetilist vastastikmõju. Enamasti tähendab see, et elektriliselt laetud kehad vahetavad omavahel virtuaalseid footoneid. Näiteks positiivselt laetud aatomituum ja negatiivselt laetud aatomi elektronkate mõjutavad teineteist virtuaalsete footonitega.

Footonit iseloomustavad kvantarvud

Nagu kõik teised fundamentaalsed vaheosakesed, on ka footon boson (spinniga 1). Kui fermion neelab footoni, siis fermioni ja footoni spinnid liituvad. Näiteks kui elektron neelab footoni, siis muutub tema spinn vastupidiseks (süsteemi summaarne spinn peab olema kõikides vastastikmõjudes jääv).

Lisaks spinnile (mis määrab ära footoni polarisatsiooni) iseloomustab footonit veel lainevektor, mis määrab ära footoni lainepikkuse ja liikumise suuna. Kõik teised footoni kvantarvud (näiteks tema leptonlaeng ja barüonlaeng) on 0. Footon on iseenda antiosake, kuid kaks footonit omavahel enamasti ei annihileeru, kuna nendevaheline vastastikmõju on väga nõrk. Kuna footonitel elektrilaeng puudub, siis saavad nad vastastikmõjus olla ainult virtuaalsete laetud osakeste (näiteks elektronide) silmuste kaudu.

Footoni energia

Footoni energia on määratud valemiga:

$E=hf={\frac {hc}{\lambda }},$

kus $E$ on footoni energia, $h$ on Plancki konstant, $f$ on footoni sagedus ja $\lambda$ on tema lainepikkus (sagedus ja lainepikkus on teineteisega pöördvõrdelised).

$E$ tähistab footoni poolt edasi kantavat energiat. See on ühtlasi ka vähim võimalik lainepikkusega $\lambda \!$ elektromagnetvälja (ja elektromagnetkiirguse) "portsjon", ehk kvant. Tulenevalt laine-osakese dualismist käitub footon samaaegselt nii osakese kui lainena (täpsemalt lainepaketina).

Süsteem, mis kiirgab footoni kaotab selle võrra energiat ning süsteem, mis neelab footoni saab selle võrra energiat juurde. See tähendab, et kõik kehad saavad energiat ja loovutavad energiat kvanthaaval.

Footoni neelamist aatomi poolt nimetatakse ka fotoefektiks. Sellisel juhul footon ergastab aatomi (aatom läheb ergastatud olekusse).

Footoni mass

Kuna footoni seisumass on 0, siis liigub footon alati valguse kiirusega. Footonil on mass, mis on võrdne footoni poolt edasi kantava energiaga. Kui mingi keha neelab footoni, siis saab ta endale selle footoni energia ning selle võrra suureneb ka keha mass

$m={\frac {E}{c^{2}}}$

Footoni lagunemine

Footon ei saa laguneda, kuna puudub temast kergema seisumassiga osake. Teiseks ei saa footon laguneda ka põhjusel, et liikudes valguse kiirusega tema jaoks (vastavalt erirelatiivsusteooriale) aeg seisab. Footoni jaoks toimub kiirgumine ja neeldumine samaaegselt jätmata vahepeal võimalust lagunemiseks.

Footoni nimetus

Albert Einstein nimetas 1909. aastal oma teoorias footoneid valguskvantideks (das Lichtquant). Footoni nimetuse (tulenevalt kreekakeelsest sõnast φῶς phôs – valgus) pakkus esimesena välja füüsikakeemik Gilbert N. Lewis 1926. aastal K.uigi Lewise arendatav teooria heideti tema sisemiste mittevastavuste tõttu kiiresti kõrvale, siis nimetus "footon" sai kiiresti populaarseks.

Välislingid

• "Päikese pöörlemist pidurdavad selle enda footonid" ERR Novaator, 14. veebruar 2017
• "Astronoomid arvutasid välja, palju leidub universumis valgust" ERR Novaator, 4. detsember 2018